Techniques d'analyse de défaillance de circuits intégrés appliquées au descrambling et à la lecture de données sur des composants mémoires non volatiles

Failure analysis techniques of integrated circuits applied to descrambling and data reading on non volatile memory components

• Auteur / Autrice : Christophe De Nardi
• Direction : Jean-Luc Gauffier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, technologies et composants pour l'électronique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordinateurs -- Mémoires mortes

Microscopie à force atomique

Ordinateurs -- Mémoires à semiconducteurs

Microscopie électronique à balayage

AMDE, Méthode

Circuits intégrés

Microcontrôleurs

Mots clés libres

Mémoires non volatiles

Flash

Eeprom

Rom

Grille flottante

évaluation de la sécurité

Analyse de défaillance

Attaques destructrices

Descrambling des adresses

Lecture des données

Contraste de potentiel

Microscopie à forces atomiques

Ebt

Emmi

Fib

Pvc

Spm

Afm

Scm

Skpm

Résumé

La protection des données stockées sur les circuits intégrés mémoires est un enjeu majeur de notre société. Aujourd’hui, ces circuits sont partout, de l'électronique grand public (carte SIM, clés USB), aux satellites en passant par les cartes bancaires et les passeports numériques. Ce travail de thèse répond à la question suivante : ''Est-il possible de lire, physiquement, l'information stockée dans une mémoire non volatile (NVM) ? ''. Par opposition aux attaques logicielles (software), les approches physiques (hardware) sont destructrices du composant. Pour accéder à l'information contenue dans le coeur de la mémoire, il faut donc contrôler cette destruction progressive. Nous avons mis au point une méthode en quatre étapes adaptable à chaque famille de NVM : 1) analyse technologique, 2) descrambling des adresses, 3) préparation d'échantillon pour rendre les données accessibles et 4) lecture des données. La difficulté et la complexité de ce travail se comprennent mieux en partant du résultat recherché. Par exemple, la donnée (0 ou 1) d'une cellule mémoire Flash correspond à la présence/absence d'une charge de quelques centaines d'électrons stockée sur la grille flottante d'un transistor. Lire la bonne valeur nécessite une technique à forte résolution topographique et potentielle, suffisamment peu invasive pour ne pas effacer ces électrons, mobiles par nature. Pour les technologies mémoires actuelles (noeud ≥90nm), nous montrons que le contraste de potentiel passif (PVC) ou les modes électriques de la microcopie à forces atomiques (AFM) sont adaptés à ces contraintes. Dans cette approche, l'étape n°3 de préparation d'échantillon s'avère déterminante pour mettre à nu le lieu de stockage des charges sans les perdre. La méthode mise en place dans cette thèse se base sur une caractérisation fonctionnelle et technologique des mémoires et une compréhension des techniques de préparation et d'analyse des composants. L'expérience acquise pendant ces trois ans montre l'importance du choix de la technique de lecture et de l'ajustement des paramètres en fonction du type de mémoire à analyser. Pour les futures technologies (noeud ≤65nm) ou silicium sur isolant (SOI), notre méthode devrait rester applicable

Protection of data stored on integrated circuit memories is a major preoccupation of our society. Today, these circuits are everywhere, from electronics for the general public (SIM charts, USB flash memories), to satellites, bank cards and numerical passports. This thesis strives to answer the following question: “Is it possible to physically read the information stored in a non volatile memory (NVM)?”. Contrary to software attacks, physical approaches (hardware) destroy components. To reach the information contained in the core of a memory, this progressive destruction must be controlled. We have developed a four stage method adapted to each NVM family: 1) technological analysis, 2) address descrambling, 3) sample preparation to make data accessible and 4) data reading. The difficulty and complexity of this work can be better understood if we start with the desired result. For example, the data (0 or 1) of flash memory cell corresponds to the presence/absence of a charge of several hundred electrons stored on the floating gate of a transistor. Detecting the correct value requires a technique with strong topographic and potential resolution, which is as non invasive as possible to avoid erasing the electrons which are by nature, highly mobile. For current memory technologies (node ≥90nm), we show that passive voltage contrast (PVC) or electric modes of Atomic Force Microscopy (AFM) are adapted to these constraints. With this approach, stage n°3 of sample preparation is the key step to expose storage location of programmed charges without losing them. The method described in this thesis is based on a functional and physical characterization of memories coupled with an understanding of component preparation and analysis techniques. The experience gained over the past three years shows the importance of choosing the right reading technique and adjusting parameters according to the type of memory to be analyzed. For future technologies (node ≤65nm) or silicon on insulator (SOI), our method should remain applicable