FR2951016A1 - Procede de protection d'une puce de circuit integre contre des attaques laser - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de protection contre des attaques laser d'une puce de circuit intégré (21) formée dans et sur un substrat semiconducteur (3) et comprenant dans la partie supérieure du substrat une partie active (5) dans laquelle sont formés des composants, ce procédé comportant les étapes suivantes : former dans le substrat une zone (23) de piégeage d'impuretés s'étendant sous la partie active (5), la limite supérieure de ladite zone étant à une profondeur comprise entre 5 et 50 µm de la face supérieure du substrat ; et introduire dans le substrat des impuretés métalliques diffusantes.

Description

B9793 - 09-RO-263 1 PROCÉDÉ DE PROTECTION D'UNE PUCE DE CIRCUIT INTÉGRÉ CONTRE DES ATTAQUES LASER
Domaine de l'invention La présente invention concerne la protection d'une puce de circuit intégré contre des attaques laser. Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe schématique d'une puce de circuit intégré 1 formée dans et sur un substrat semiconducteur 3. Le substrat 3 comprend dans sa partie supérieure une couche active 5, couramment une couche épitaxiée, dans laquelle sont réalisés des composants électroniques non représentés. De façon courante, la couche active 5 est recouverte d'un empilement de couches isolantes 7 et de pistes conductrices d'interconnexion 9. On prévoit généralement plusieurs niveaux d'interconnexion successifs. Des nias conducteurs non représentés traversent les couches isolantes pour relier les pistes conductrices entre elles, à des bornes 11 d'entrée-sortie de la puce, et à des composants de la couche active 5, réalisant ainsi les interconnexions du circuit. Dans certains dispositifs, par exemple des composants sécurisés comme des cartes de paiement, des régions de la zone active 5 sont susceptibles de traiter et/ou de stocker des données sensibles, par exemple des clés de chiffrement. De tels B9793 - 09-RO-263
2 dispositifs peuvent faire l'objet de manipulations frauduleuses visant à obtenir des informations confidentielles protégées. Parmi les attaques connues, les attaques dites "attaques par faute", consistent à perturber volontairement le fonctionnement d'une puce, et à analyser l'influence des perturbations sur son comportement. L'attaquant s'intéresse notamment à l'influence des perturbations sur des données telles que des signaux de sortie, la consommation, ou des temps de réponse. Il est susceptible d'en déduire, par des études statistiques ou autres, des informations sensibles telles que les algorithmes utilisés et éventuellement des clés de chiffrement. Pour provoquer volontairement des anomalies dans les circuits d'une puce, un mode d'attaque consiste à bombarder des zones localisées de la puce par un faisceau laser. On peut ainsi injecter des fautes dans certaines cellules mémoires et/ou affecter le comportement de certains composants. On notera que lors d'une attaque laser, la puce doit être alimentée. En raison de la présence des pistes métalliques d'interconnexion du côté de la face avant du substrat, les attaques laser sont dans leur très grande majorité réalisées par la face arrière de la puce. En effet, du côté de la face avant, la probabilité pour un faisceau laser d'atteindre un composant à travers l'enchevêtrement de pistes métalliques est presque nulle. En outre, l'attaquant ne peut pas se permettre de retirer les niveaux d'interconnexion car cela rendrait la puce non opérationnelle et non analysable. La figure 2 est une vue en coupe schématique de la puce 1 de la figure 1 illustrant une étape préliminaire d'amincissement du substrat 3, fréquemment mise en oeuvre avant une attaque laser par la face arrière. Une telle étape améliore l'efficacité de l'attaque laser en minimisant l'atténuation du faisceau par le substrat. Pour rendre accessible au faisceau laser les composants de la région active 5, l'attaquant doit retirer une partie de l'épaisseur du substrat 3 du côté de sa B9793 - 09-RO-263
3 face inférieure ou face arrière. A titre d'exemple, une puce formée à partir d'un substrat de 180 µm d'épaisseur subira une diminution d'épaisseur de l'ordre de 130 µm avant une attaque laser.
Pour se prémunir contre les fraudes, il est généralement prévu dans les puces sécurisées un dispositif de détection d'attaque, couplé à un circuit de protection. Lorsqu'une attaque est détectée, le circuit de protection met en oeuvre des mesures de protection, d'aliénation, ou de destruction des données sensibles. Par exemple, on pourra prévoir, lorsqu'une attaque est détectée, d'interrompre l'alimentation de la puce ou de provoquer sa réinitialisation, de façon à minimiser le temps pendant lequel l'attaquant peut étudier la réponse de la puce à une perturbation.
Les solutions de détection d'attaque peuvent être logiques. Elles consistent par exemple à introduire régulièrement dans les calculs des tests d'intégrité permettant de s'assurer que des données ne sont pas en cours de modification. Ces solutions présentent l'inconvénient d'introduire des étapes de calcul supplémentaires, augmentant ainsi les temps de réponse de la puce. En outre, les tests d'intégrité ne peuvent pas détecter toutes les perturbations provoquées par un attaquant. Ce dernier dispose donc d'une certaine marge de manoeuvre susceptible de lui permettre d'acquérir des informations sensibles. D'autres solutions de détection d'attaque, dites physiques, comportent notamment des capteurs sensibles aux variations de température, aux ultraviolets, ou aux rayons X, permettant de déceler des activités suspectes. De même que les solutions logiques, ces solutions ne sont pas parfaitement fiables. En effet, avant la détection de l'attaque, l'attaquant dispose d'une marge de manoeuvre susceptible de lui permettre d'obtenir des informations sensibles. De plus, la mise en oeuvre de ces solutions est complexe et augmente la surface de silicium nécessaire à la réalisation de la puce.
B9793 - 09-RO-263 Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un système de protection d'une puce de circuit intégré contre des attaques laser palliant au moins certains des inconvénients des solutions de l'art antérieur. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel système renforçant ou éventuellement remplaçant les solutions de l'art antérieur. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel système permettant d'empêcher l'attaquant d'obtenir des informations sensibles avant que l'attaque ne soit détectée par des moyens usuels. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de protection contre des attaques laser d'une puce de circuit intégré formée dans et sur un substrat semiconducteur et comprenant dans la partie supérieure du substrat une partie active dans laquelle sont formés des composants, ce procédé comportant les étapes suivantes : former dans le substrat une zone de piégeage d'impuretés s'étendant sous la partie active, la limite supérieure de ladite zone étant à une profondeur comprise entre 5 et 50 µm de la face supérieure du substrat ; et introduire dans le substrat des impuretés métalliques diffusantes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la formation des sites de piégeage comprend une étape d'implantation profonde d'un gaz rare dans le substrat, suivie d'une étape de recuit. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz rare est de l'hélium.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la zone s'étend sur une épaisseur comprise entre 0,5 µm et 5 µm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sites de piégeage sont formés par précipitation d'oxygène. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 35 la zone s'étend jusqu'à la face arrière du substrat. 4 B9793 - 09-RO-263
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend une étape d'implantation d'atomes de métal dans le substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 à l'issue de l'étape d'introduction d'impuretés métalliques dans le substrat, la zone contient des atomes de métal à une concentration comprise entre 1017 et 1018 atomes/cm3. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les impuretés métalliques comprennent des atomes de fer. 10 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : 15 la figure 1, précédemment décrite, est une vue en coupe schématique d'une portion d'une puce de circuit intégré la figure 2, précédemment décrite, est une vue en coupe schématique de la portion de puce de la figure 1 après amincissement de son substrat ; 20 la figure 3 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple de réalisation d'une puce de circuit intégré munie d'un système de protection contre des attaques laser ; et la figure 4 est une vue en coupe représentant de façon 25 schématique une variante de réalisation d'une puce de circuit intégré munie d'un système de protection contre des attaques laser. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 30 désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Un aspect d'un mode de réalisation de la présente 35 invention est de prévoir, dans le substrat, une couche de B9793 - 09-RO-263
6 protection adaptée à atténuer et à disperser un éventuel faisceau laser d'attaque de façon à élargir le faisceau et à empêcher d'atteindre une zone précise de la partie active. De plus, en chaque point de la puce, la puissance laser sera réduite. La figure 3 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple de réalisation d'une puce de circuit intégré 21 munie d'un système de protection contre les attaques laser. Comme la puce 1 décrite en relation avec la figure 2, la puce 21 est formée dans et sur un substrat 3. Le substrat 3 comprend, sous une partie active 5 dans laquelle sont formés les composants de la puce, une zone 23 adaptée à disperser un faisceau laser. Dans la zone 23, on a formé des sites de piégeage adaptés à retenir des impuretés métalliques. La zone 23 comprend une forte concentration d'impuretés métalliques introduites intentionnellement, par exemple des atomes de fer, de nickel, de cuivre ou d'or. La prévision de zones de piégeage dans un substrat semiconducteur a été proposée pour débarrasser les régions actives du substrat d'impuretés indésirables susceptibles de dégrader les performances de certains composants. Ces zones de piégeage ont pour rôle de retenir d'éventuelles impuretés parasites introduites dans le substrat pendant la fabrication, de façon que ces impuretés ne viennent pas contaminer des régions actives du substrat. On utilise de telles techniques notamment dans le domaine des dispositifs à semiconducteurs de puissance. Un exemple de procédé de réalisation d'une zone de piégeage consiste à prévoir, dans une région localisée du substrat, une implantation à haute dose d'un gaz rare tel que l'hélium, l'argon ou le xénon. Un recuit consécutif adapté entraîne la formation de bulles et/ou de dislocations dans cette région. Les défauts ainsi formés se trouvent être des sites de B9793 - 09-RO-263
7 piégeage adaptés à retenir d'éventuelles impuretés métalliques présentes dans le substrat. Après avoir formé la zone de piégeage 23, par exemple selon le procédé susmentionné, on prévoit de contaminer intentionnellement le substrat, par exemple par implantation d'atomes de fer. Les impuretés ainsi introduites viennent se concentrer dans la zone 23 et y sont retenues. Ces impuretés permettent de diffracter/disperser/atténuer un éventuel faisceau laser d'attaque, faisant ainsi écran aux composants de la puce 21. La zone de piégeage contaminée 23 doit être placée à une distance de la couche active 5 suffisamment faible pour que, lors de l'étape préalable d'amincissement, l'attaquant ne puisse pas la retirer sans endommager la puce. De façon courante, la couche active 5 dans laquelle sont formés les composants de la puce a une épaisseur de l'ordre de 3 µm à 10 µm. Après amincissement selon les techniques habituelles, le substrat 3 a une épaisseur de l'ordre de 50 µm. Un amincissement plus important risquerait d'entraîner un déséquilibre des contraintes mécaniques s'exerçant dans la puce. Notamment, les pistes et nias d'interconnexion risqueraient de se rompre, rendant la puce inutilisable. Ainsi, à titre d'exemple, la zone de piégeage conta-minée 23 pourra donc avoir une épaisseur de l'ordre de 0,5 µm à 5 µm et être formée, sous la couche active 5, à une distance comprise entre 12 µm et 20 µm de la face supérieure du substrat 3. Toutefois, l'invention ne se restreint pas à ce cas particulier. On pourra par exemple prévoir une zone de piégeage s'étendant sur presque toute l'épaisseur du substrat 3, depuis sa face arrière jusqu'à une distance de quelques µm, par exemple de l'ordre de 5 µm à 20 µm, de la couche active 5. La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de réalisation d'une puce de circuit intégré 31 munie d'un système de protection contre des attaques laser. Dans cet exemple, par comparaison avec la puce 21 décrite B9793 - 09-RO-263
8 en relation avec la figure 3, la zone mince de piégeage contaminée 23 a été remplacée par une zone de piégeage étendue 33. La zone de piégeage 33 s'étend depuis la face arrière du substrat jusqu'à une distance de l'ordre de 5 µm à 20 µm, de la couche active 5. On pourra par exemple fabriquer la puce 31 dans et sur une tranche de silicium formée selon la technologie "MDZ®", de l'anglais "Magic Denuded Zone". De telles tranches sont notamment décrites dans l'article "Effective intrinsic gettering for 200 mm an 300 mm P/P-wafers in a low thermal budget 0,13 µm advanced CMOS logic process", de M.J. Binns, présenté en 2002 à la conférence "9th Int. Symp. Silicon Materials Science & Technology, Philadelphia, Mai 12-17, 2002", et disponible sur le site internet "http://www.memc.com/". Une telle tranche comprend en effet, dans le substrat, des sites de piégeage préalablement formés par précipitation d'oxygène. Ces sites sont répartis dans une grande partie de l'épaisseur du substrat, depuis la face arrière jusqu'à quelques dizaines de µm de la face avant. Ces sites sont adaptés à concentrer et à retenir d'éventuelles impu- retés métalliques. On prévoit alors une étape de contamination intentionnelle du substrat, par exemple par implantation d'atomes de fer, tel que décrit ci-dessus. La concentration d'impuretés métalliques dans la zone 23 (figure 3) ou 33 (figure 4) sera de préférence choisie élevée. Cette concentration dépend notamment du procédé de formation de la couche de piégeage ainsi que du procédé utilisé pour introduire les impuretés métalliques dans cette couche. A titre d'exemple, dans le cas d'une zone de piégeage mince telle que la zone 23 de la figure 3, on pourra former des sites de piégeage par implantation d'hélium à 40 keV et 5x1016 atomes/cm2, suivie d'un recuit adapté. On pourra consécutivement mettre en oeuvre une étape d'implantation d'atomes de fer par la face arrière du substrat, à 100 keV et 1012 atomes/cm2, jusqu'à B9793 - 09-RO-263
9 obtenir une concentration finale d'atomes de fer dans la zone 23 de l'ordre de 1017 à 1018 atomes/cm3. Un avantage du système de protection proposé est qu'il oblige l'attaquant à augmenter considérablement, par exemple d'un facteur de l'ordre de 10 à 100, la puissance du faisceau laser pour pouvoir injecter des fautes dans les circuits de la puce. Par conséquent, avant que l'attaquant ne puisse acquérir des informations sensibles, l'attaque sera facilement détectée par des moyens classiques, par exemple des détecteurs de variation de température. De plus, la présence de la zone de piégeage contaminée rend difficile pour l'attaquant de contrôler la taille et la position du faisceau laser au niveau de la couche active de la puce.
Un autre avantage du système de protection proposé est qu'il ne nécessite pas de modification des circuits de la puce que l'on souhaite protéger, ni de modification du procédé de fabrication. De plus, les étapes de fabrication nécessaires à la formation de la zone de piégeage contaminée sont compatibles avec les procédés de fabrication usuels d'une puce de circuit intégré. Le système proposé peut donc être employé pour protéger facilement et à moindre coût tout type de circuit. En outre, un tel système de protection n'augmente pas la surface de silicium nécessaire à la réalisation de la puce.
Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention ne se restreint pas à l'utilisation des métaux mentionnés ci-dessus pour former les impuretés métalliques concentrées sous la partie active de la puce. L'homme de l'art saura utiliser tout autre métal adapté. De plus, on a mentionné ci-dessus une concentration d'atomes de métal dans la couche de piégeage de l'ordre de 1017 à 1018 atomes/cm3. L'homme de l'art saura adapter le système de protection en utilisant des concentrations différentes. En B9793 - 09-RO-263
10 outre, les épaisseurs et les profondeurs mentionnées ci-dessus pour les différentes couches d'une puce de circuit intégré et notamment pour la couche de piégeage sont données uniquement à titre d'exemple. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en utilisant des épaisseurs et profondeurs différentes. Par ailleurs, on a mentionné ci-dessus diverses techniques de formation de zones de piégeage adaptées à concentrer et à retenir des impuretés métalliques introduites dans un substrat semiconducteur. L'invention ne se restreint pas à ces exemples particuliers. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit le procédé employé pour former la zone de piégeage. De même, on a proposé de contaminer intentionnellement le substrat, après formation de la zone de piégeage, par implantation d'atomes de métal. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché quel que soit le procédé employé pour introduire des impuretés métalliques à la concentration souhaitée dans la zone de piégeage.
On a décrit ci-dessus un système de protection d'une puce de circuit intégré contre des attaques laser, ce système comprenant une zone de piégeage dans laquelle on a introduit intentionnellement des impuretés métalliques. Toutefois, on pourra prévoir d'autres applications à la prévision d'une telle zone de piégeage contaminée. Ainsi, la présente invention vise une puce de circuit intégré comprenant une zone de piégeage, s'étendant sous la partie active de la puce, à faible distance de la partie active, et comprenant une forte concentration d'impuretés métalliques.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de protection contre des attaques laser d'une puce de circuit intégré (21 ; 31) formée dans et sur un substrat semiconducteur (3) et comprenant dans la partie supérieure du substrat une partie active (5) dans laquelle sont formés des composants, ce procédé comportant les étapes suivantes : former dans le substrat une zone (23 ; 33) de piégeage d'impuretés s'étendant sous la partie active (5), la limite supérieure de ladite zone étant à une profondeur comprise entre 5 et 50 µm de la face supérieure du substrat ; et introduire dans le substrat des impuretés métalliques diffusantes.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la formation des sites de piégeage comprend une étape d'implantation profonde d'un gaz rare dans le substrat, suivie d'une étape de recuit.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le gaz rare est de l'hélium.
  4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel 20 ladite zone (23) s'étend sur une épaisseur comprise entre 0,5 µm et 5 µm.
  5. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les sites de piégeage sont formés par précipitation d'oxygène.
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel 25 ladite zone (33) s'étend jusqu'à la face arrière du substrat.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une étape d'implantation d'atomes de métal dans le substrat.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 7, dans lequel, à l'issue de l'étape d'introduction d'impuretés métalliques dans le substrat, ladite zone (23 ; 33) contient des atomes de métal à une concentration comprise entre 1017 et 1018 atomes/cm3.B9793 - 09-RO-263 12
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les impuretés métalliques comprennent des atomes de fer.
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