CN110660446B - 一种评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信息安全技术领域,涉及非易失性存储器的安全存储,具体涉及一种评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置。本发明先通过SEM断面扫描的方获取了待测非易失性存储器的物理结构和使用材料,根据扫描得到的物理结构参数和使用材料对应的半导体特性参数,仿真得到浮栅电荷Q与阈值电压Vth的关系;然后通过芯片复位中断,并用掉电法获取阈值电压,获得在单片机中非易失性存储单元擦写过程中,阈值电压随时间的变化关系;最后利用之前获取的擦写过程中阈值电压随时间的变化关系,使用电荷注入和掉电的方法,结合浮栅电荷Q与阈值电压Vth的关系,获得一条浮栅上注入电荷与残留电荷之和Q0+Qr与擦除次数N的关系曲线。
Description
技术领域
本发明属于信息安全技术领域,涉及非易失性存储器的安全存储,具体涉及一种评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置。
背景技术
随着信息存储技术的迅猛发展,固态存储技术得到广泛应用。固态存储器可以分为易失性存储器和非易失性存储器。与断电即失数据的易失性存储器相比,非易失性存储器在电源暂时中断或较长时间处于断电状态时,仍然能够保持其中的数据。目前,以非易失性存储器为核心的固态存储技术广泛应用于计算机、汽车、移动设备、通讯和医疗等方面,为我们的生活和学习带来了很多好处。
但是,没有一种存储器是绝对安全的。非易失性存储器理论上是一种擦除后,存储器中的数据不可恢复的存储器,然而事实并非如此,实际上,器件仍然有数据残留的问题。非易失性存储器是以电荷的形式存储信息的,写入时,电子会由器件的基底通过氧化层进入浮栅,擦除过程中,则会使电子由浮栅回到基底。但是,单一的擦除操作并不会使写入操作中进入浮栅中的电荷完全流出浮栅,这使得一部分的电子仍然存在于浮栅中,并且残留的电子数量会与擦除操作的次数相关。所以,即使读取操作读取非易失性存储器中的单元时,读取的逻辑值全为“1”,也不代表浮栅中完全没有电子,由于非易失性存储器在写擦过程中的器件参数固定不变,攻击者在已知这些器件参数的基础上,模拟非易性存储器的工作过程,依据非易失性存储器中表征数据残留的器件参数,可以恢复非易失性存储器中存储的数据。
早在1996年,PeterGutmann通过研究发现半导体存储器中存在数据残留问题,并在2001年对非易失性存储器EEPROM的存储单元中的数据残留现象进行了进一步研究,发现编程时间和单元条件等会影响存储器件的阈值电压。非易失性存储器中的数据残留与很多因素有关,例如其擦写操作的源电压,擦写时间等。这些参数由于器件确定的制造工艺,工作电压,所以,在使用过程中这些主要影响因素都是固定不变的。这使得攻击者可以通过这些固定的参数,模拟非易失性存储器的工作过程,通过与实际测量的阈值电压做对比,从而恢复非易失性存储器中的数据。
2005年,Sergei Skorobogatov通过实验研究测试定量的得到了浮栅存储器读写过程的阈值电压的变化,并得到了单元写入后,随着擦除次数N的增加,阈值电压逐渐降低的曲线。但是因为在不同的单片机中,由于设计不同和结构参数不同,其非易失性存储器中浮栅电荷的量也不相同,Sergei Skorobogatov的结果只能从阈值电压上证明数据有一定的残留特性,不能反映出不同器件结构中数据残留真实的情况,如浮栅电荷的数量,这给后续的研究应用带来了很大的不确定性。
发明内容
针对上述存在问题或不足,为解决现有单片机中非易失性存储器数据残留评估方法仅能证明数据有一定的残留特性,不能反映出不同器件结构中数据残留真实情况(如浮栅电荷的数量不同)的技术问题,本发明提供了一种评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置。
一种评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置,如图1所示,其中包括PC控制器、数字采集卡和单片机控制电路。
所述PC控制器连接数字采集卡,用于控制数字采集卡输出通道的输出电压并使数字采集卡处于等待触发信号的模式。
所述数字采集卡的模拟输出通道0(模拟输出端2)接待测单片机复位引脚,输出电压VPP为高电平,数字采集卡的数字触发端1接单片机中的I/O端口1;当数据采集卡收到待测单片机I/O端口1给出的TTL触发信号,改变VPP为低电平,使单片机复位中断。数字采集卡的模拟输出通道1接单片机电源引脚,在单片机执行读取命令的过程中,其输出电压为VDD,读取命令以外的时间内输出电压为单片机工作电压,数字采集卡的数字触发端2接单片机中的I/O端口2;当数据采集卡收到待测单片机I/O端口2给出的TTL触发信号,降低读取命令过程中通道1的输出电压VDD。
所述单片机控制电路控制待测单片机自身写入的程序:对待测单片机的非易失性存储单元进行擦写操作和读取操作,并在读取操作和擦写操作前发出一个TTL触发信号,使数据采集卡能与待测单片机擦写操作或读取操作同步。
上述评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置,其工作流程如图2所示:
第一步,得到阈值电压Vth与浮栅电荷Q的关系:
通过对单片机中非易失性存储器区域进行SEM断面扫描,确定待测单片机中非易失性存储器的物理结构和使用材料,然后根据得到的非易失性存储器实际物理结构和使用材料对应的半导体物理参数(如电子迁移率等)建立模型,再通过软件仿真得到阈值电压Vth与浮栅电荷Q之间的关系。
第二步,得到擦写过程中浮栅电荷随时间的变化:
对待测单片机中某一非易失性存储单元执行擦写命令,在擦写命令开始执行后的t(t要取整个擦写过程中所有时间)时刻进行复位;此时,再通过掉电步骤,即多次读取该单元的逻辑值,并在该过程中逐次降低读取过程中通道1(模拟输出端1)输出电压VDD,直到存储单元的读数由“0”变为“1”,记录此时的输出电压的值。因为单片机的逻辑参考电压Vref和电源电压VDD存在线性关系,即Vref=0.5*VDD,因此存储单元读数由“0”变为“1”的VDD对应的逻辑参考电压Vref即是沟道的阈值电压(开启电压)Vth;因此可以获取擦写过程阈值电压随时间的变化关系,再结合第一步所得阈值电压Vth与浮栅电荷Q之间的关系转换得到浮栅电荷Q随时间的变化关系。
第三步,进行数据残留(电荷残留)的评估,具体流程如图3所示:
先对待测单片机中选定的非易失性存储单元进行写入1次,擦出N次的操作,此时,对于不同擦除次数N,会有不同数量的数据残留(电荷未完全移除,有电荷残留);接下来,需要进行电荷注入,即对该非易失性存储单元进行写入操作并在写入过程中复位中断,严格控制中断时间t0,使浮栅中被注入电荷量为Q0的电荷,抬高阈值电压;所述t0选择写入过程曲线上阈值电压Vth随着时间t增加而增加部分的中间位置区域对应值,使得阈值电压被抬高后仍在测试范围内。
通过上述掉电步骤得到不同N取值时的阈值电压Vth,即阈值电压Vth和擦除次数N的关系,转换得到浮栅上注入电荷与残留电荷之和Q0+Qr与擦除次数N的关系。
本发明先通过SEM断面扫描的方获取了待测单片机中非易失性存储器的物理结构和使用材料,根据扫描得到的物理结构参数和使用材料对应的半导体物理参数,仿真得到浮栅电荷Q与阈值电压Vth的关系;然后通过芯片复位中断,并用掉电法测试此时的阈值电压,获得在单片机擦写过程中阈值电压随时间的变化关系;最后利用之前获取的擦写过程中阈值电压随时间的变化关系,使用电荷注入(注入电荷为Q0)和掉电的方法,结合浮栅电荷Q与阈值电压Vth的关系,获得一条浮栅上注入电荷与残留电荷之和Q0+Qr与擦除次数Vth的关系曲线。最终本发明通过器件仿真的方法,得到了该器件阈值电压Vth和浮栅电荷Q的关系,将结果直接反应为注入电荷与残留电荷之和Q0+Qr与擦除次数N的关系,能够更加直观准确的反应实际非易失性存储器器件中数据残留(电荷残留)的状态。
综上所述,本发明通过器件仿真得到电荷Q与阈值电压Vth的关系,将评估结果与实际器件结构结合起来,得到更加精准的结果;用于评估非易失性存储器数据残留的可能性具有更加精确的效果。
附图说明
图1为本发明的装置示意图;
图2为本发明评估方法的实施方案示意图;
图3为本发明评估方法的具体步骤流程示意图;
图4为实施例阈值电压Vth和浮栅电荷Q的关系;
图5为实施例擦除过程中浮栅电荷Q和时间t的关系;
图6为实施例写入过程中浮栅电荷Q和时间t的关系;
图7为实施例FLASH单元浮栅上注入电荷和残留电荷之和Q0+Qr与擦出次数N的关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
非易失性存储器中存储数据的基本结构是浮栅单元,非易失性存储单元结构中存储电荷的是浮栅,浮栅位于控制栅和衬底之间,被绝缘层包围,绝缘层的宽禁带形成了一个势垒,阻止了电子流入或流出浮栅。
非易失性存储单元的逻辑“0”和逻辑“1”状态可依据浮栅上负电荷的多少加以区分,而浮栅上负电荷的多少由编程操作决定。编程操作分为写入操作和擦除操作。写入操作利用沟道热电子注入效应,使电子流入浮栅,浮栅上的负电荷增多,晶体管的阈值电压Vth升高,高于读操作时所加栅源电压VGS,晶体管截止,数据存为逻辑“0”;擦除操作利用F-N隧穿效应,源端加固定的高压,控制栅接地,漏端悬空,使电子流出浮栅,浮栅上的负电荷减少,晶体管的阈值电压Vth降低,低于读操作时所加栅源电压VGS,晶体管导通,数据存为逻辑“1”。
通过对浮栅器件相关的知识可以得知,浮栅器件浮栅与基底之间的电场强度与浮栅中剩余的电子数量相关,当浮栅电荷剩余数量越来越少时,在浮栅和基底之间很难形成足以让电子大量隧穿的电场强度,所以,在浮栅电荷很少的情况下,移除浮栅中的电荷会更加的困难。所以,对于一个写入过单元,可能要经过之后很多次的擦除,才能使浮栅电荷不再变化。
如图2所示:
第一步,进行存储器结构仿真:
1-1、通过对单片机中非易失性存储器进行SEM断面扫描,得到非易失性存储器的物理结构和使用材料,建立仿真模型;
1-2、通过有限元的算法计算当浮栅中包含有不同电荷量时,其沟道电流IDS和控制栅电压VG之间的关系,然后找到其阈值电压(开启电压)Vth,作一张浮栅阈值电压Vth和浮栅电荷Q的关系图,如图4所示。
测试单元阈值电压Vth是通过掉电的步骤,即缓慢降低电源电压VDD,再读取存储单元的逻辑值。因为单片机的逻辑参考电压Vref和电源电压VDD存在线性关系,即Vref=0.5*VDD,因此存储单元读数由“0”变为“1”的VDD对应的逻辑参考电压Vref即是沟道的阈值电压(开启电压)Vth。但是,由于电源电压VDD有最小值的限制,就算是一次擦除操作,非易失性存储单元的阈值电压Vth依旧不可以直接通过测试得到。所以,还需要进行注入电荷的操作,这需要获取擦写过程中阈值电压随时间的变化。
第二步,获取擦写过程中浮栅电荷随时间的变化:
2-1、选取一个非易失性存储单元,在擦写过程中对过程中时刻t进行复位中断,t的取值是擦写过程中的所有时刻;
2-2、使用第一步所述的掉电的方法测量每次中断后的阈值电压Vth。
2-3、通过仿真获得的阈值电压Vth与浮栅电荷Q的关系,得到浮栅电荷Q在写入擦除过程中随时间t的变化。
实施例的写入和擦除过程如图5和图6所示,实线部分是仿真得出的结果。获得写入和擦除的过程后,在写入过程中确定时间t0(例如,图6中2070us时)复位中断写入过程,使得该操作可以向浮栅中注入一个确定的电荷量Q0,抬高其阈值电压,这个方法叫做电荷注入。
第三步,进行数据残留(电荷残留)的评估:
3-1、对第二步中的非易失性存储器单元进行写入一次,擦除N次的操作,由于擦除次数N的不同,所以在浮栅中的残留电荷会有所不同,记擦除N次后,浮栅中残留电荷的电荷量为Qr,对应的阈值电压为Vth1;
3-2、对该单元进行电荷注入,通过上述第二步描述的电荷注入方法,为该单元注入电荷量为Q0的电荷,抬高其阈值电压至Vth2,对应的电荷量应为Qr+Q0;
3-3、使用第一步所述的掉电方法确定此时的阈值电压Vth2;
3-4、通过仿真得到的浮栅电荷Q与阈值电压Vth的关系将Vth2转换为对应电荷量,得到Qr+Q0的值。此时,可以确定Qr+Q0与次数N的对应关系,如图7所示。
由于,注入电荷Q0具有一定的误差,只能得到Qr+Q0和擦除次数N的关系,但由图4可知,Q与Vth的关系是线性关系,所以也能在一定程度上反应浮栅上残留电荷Qr和擦除次数N的关系。
本发明针对非易失性存储器数据残留现象,基于PC控制器,数字采集卡和含有非易失性存储器的单片机,通过电荷注入,掉电和器件仿真等步骤,得到电荷Q与阈值电压Vth的关系,将评估结果与实际器件结构结合起来,得到更加精准的结果;从而进行非易失性存储器数据残留评估,确定非易失性存储器是否有数据残留。
Claims (2)
1.一种评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置,其特征在于:包括PC控制器、数字采集卡和单片机控制电路;
所述PC控制器连接数字采集卡,用于控制数字采集卡输出通道的输出电压并使数字采集卡处于等待触发信号的模式;
所述数字采集卡的模拟输出通道0接待测单片机复位引脚,输出电压VPP为高电平,数字采集卡的数字触发端1接单片机中的I/O端口1;当数据采集卡收到待测单片机I/O端口1给出的TTL触发信号,改变VPP为低电平,使单片机复位中断;数字采集卡的模拟输出通道1接单片机电源引脚,在单片机执行读取命令的过程中,其输出电压为VDD,读取命令以外的时间内输出电压为单片机工作电压,数字采集卡的数字触发端2接单片机中的I/O端口2;当数据采集卡收到待测单片机I/O端口2给出的TTL触发信号,降低读取命令过程中通道1的输出电压VDD;
所述单片机控制电路控制待测单片机自身写入的程序:对待测单片机的非易失性存储单元进行擦写操作和读取操作,并在读取操作和擦写操作前发出一个TTL触发信号,使数据采集卡能与待测单片机擦写操作或读取操作同步;
其工作流程具体如下:
第一步,得到阈值电压Vth与浮栅电荷Q的关系:
通过对单片机中非易失性存储器区域进行SEM断面扫描,确定待测单片机中非易失性存储器的物理结构和使用材料,然后根据得到的非易失性存储器实际物理结构和使用材料对应的半导体物理参数建立模型,再通过软件仿真得到阈值电压Vth与浮栅电荷Q之间的关系;
第二步,得到擦写过程中浮栅电荷随时间的变化:
对待测单片机中某一非易失性存储单元执行擦写命令,在擦写命令开始执行后的t时刻进行复位,t为整个擦写过程中所有时间;此时,再通过掉电步骤,即多次读取该单元的逻辑值,并在该过程中逐次降低读取过程中通道1输出电压VDD,直到存储单元的读数由0变为1,记录此时的输出电压的值,从而获取擦写过程阈值电压随时间的变化关系,再结合第一步所得阈值电压Vth与浮栅电荷Q之间的关系转换得到浮栅电荷Q随时间的变化关系;
第三步,进行数据残留即电荷残留的评估:
先对待测单片机中选定的非易失性存储单元进行写入1次,擦出N次的操作,此时,对于不同擦除次数N,会有不同数量的数据残留;接下来,需要进行电荷注入,即对该非易失性存储单元进行写入操作并在写入过程中复位中断,严格控制中断时间t0,使浮栅中被注入电荷量为Q0的电荷,抬高阈值电压;所述t0选择写入过程曲线上阈值电压Vth随着时间t增加而增加部分的中间位置区域对应值,使得阈值电压被抬高后仍在测试范围内;
通过上述掉电步骤得到不同N取值时的阈值电压Vth,即阈值电压Vth和擦除次数N的关系,转换得到浮栅上注入电荷与残留电荷之和Q0+Qr与擦除次数N的关系。
2.如权利要求1所述评估单片机中非易失性存储器数据残留的装置,其特征在于:所述非易失性存储单元为EEPROM或/和FLASH。
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