TCAD simulations of single transistor attacks through X-rays

Il continuo miglioramento delle misure di sicurezza informatica volte a proteggere i dispositivi da attacchi esterni rende indispensabile lo studio di nuovi approcci in grado di eluderli. La metodologia del “fault injection”, che consiste nell’introduzione sistematica di errori a livello software o hardware per estrarre informazioni sensibili, ha recentemente guadagnato popolarità grazie alla sua natura non invasiva. Tra le numerose tecniche adottate, gli attacchi hardware con raggi X hanno mostrato risultati promettenti grazie alla possibilità di focalizzare il fascio su scala nanometrica, permettendo di colpire specificamente i singoli transistor contenuti nei circuiti. Questa tipologia di attacchi è attualmente oggetto di ricerca presso il dipartimento di Cybersecurity del Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) di Grenoble, dove è stata svolta la presente Tesi. In particolare, la Tesi si concentra sull’utilizzo della radiazione di sincrotrone e di tomografo per alterare specifici transistor contenuti nelle memorie Flash e SRAM, al fine di aggirare le loro misure di sicurezza. L’obiettivo della Tesi è fornire una descrizione dei fenomeni di trasporto elettronico coinvolti negli attacchi dei transistor, avvalendosi del software di simulazione ECORCE. Una comprensione più approfondita dei meccanismi coinvolti a livello dei semiconduttori permetterà di ottimizzare i parametri che regolano l'emissione dei raggi X, rendendo gli attacchi più precisi ed efficaci. Per riprodurre accuratamente i transistor all'interno del software, sono state realizzate delle sezioni trasversali utilizzando un FIB al plasma. Per determinare con precisione il tempo di esposizione ai raggi X necessario per alterare lo stato logico dei transistor, sono state condotte delle campagne sperimentali utilizzando sia la radiazione da sincrotrone che quella da tomografo. Gli attacchi con radiazione da sincrotrone sono stati eseguiti presso l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), lungo la beamline ID16B che offre un fascio di raggi X con un diametro di 60 nm. La seconda campagna di attacchi è stata condotta presso il laboratorio Science et ingénierie des matériaux et des procédés (SIMAP), dove è disponibile un tomografo. Infine, è stato sviluppato un codice Python dedicato per calcolare la dose assorbita dalle memorie durante gli esperimenti, considerando l'assorbimento dei vari strati di materiale osservati tramite le sezioni trasversali. I dati ottenuti tramite il codice sono stati utilizzati come parametri di input nelle simulazioni per studiare la risposta delle due tipologie di memoria, e quindi dei relativi transistor, all'esposizione ai raggi X. Le simulazioni della memoria Flash hanno riguardato l’irradiazione di un singolo transistor "floating gate," ovvero un transistor MOS dotato di un gate sospeso nel quale possono essere accumulati degli elettroni. Le simulazioni della memoria SRAM sono state condotte irradiando sia singolarmente che simultaneamente i transistor NMOS e PMOS.