Développement d`un outil de prédiction du comportement d`un

D´eveloppement d’un outil de pr´ediction du
comportement d’un circuit int´egr´e sous impact laser en
technologie CMOS
Catherine Godlewski
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Catherine Godlewski. D´eveloppement d’un outil de pr´ediction du comportement d’un circuit
int´egr´e sous impact laser en technologie CMOS. Autre [cond-mat.other]. Universit´e Sciences et
Technologies - Bordeaux I, 2013. Fran¸cais. <NNT : 2013BOR15209>.<tel-00958998>
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Submitted on 13 Mar 2014
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Université Bordeaux 1
Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement
σ° d’ordre :
THÈSE
PRÉSENTÉE A
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUE ET DE L’IσGEσIEUR
Par Catherine GODLEWSKI
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : ELECTRONIQUE
Développement d’un outil de prédiction du comportement d’un
circuit intégré sous impact laser en technologie CMOS
Directeur de recherche : Pascal FOUILLAT
Soutenue le : 09 Décembre 2013
Devant la commission d’examen formée de :
M. RENOVELL, Michel Directeur de recherche CNRS Rapporteur et Président du Jury
M. PORTAL, Jean-Michel Professeur Université Marseille Rapporteur
M. FOUILLAT, Pascal Professeur Université Bordeaux 1 Directeur de recherche
M. POUGET, Vincent Charger de recherche IMS-CNRS Co-directeur de recherche
M. LEWIS, Dean Professeur Université Bordeaux 1 Co-directeur de recherche
M. LISART, Mathieu Ingénieur STMicroelectronics Examinateur

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Résumé de la thèse
Ce travail porte sur l’analyse et l’étude du comportement de circuits intégrés en
technologie CMOS soumis à un impact laser. Une méthodologie d’implémentation d’un
impact laser a été développée et améliorée. Ainsi, elle est applicable à n’importe quelle
description électrique d’un circuit CMτS, qu’il soit digital ou analogique. Ce procédé est
conçu pour permettre aux concepteurs de circuits intégrés pouvant être soumis à des attaques
laser, de tester leur circuit en simulation avant leur fabrication et de démontrer leur
robustesse.
σotre étude s’est focalisée sur le développement d’un outil de simulation intégrant un
modèle électrique de l’impact laser sur les transistors MOS afin de reproduire de façon
qualitative le comportement du circuit face à un impact laser (attaque semi-invasive en face
arrière du circuit), et ce quelques soient ses propriétés physiques.
Une première partie d’état de l’art est consacrée à la synthèse des différentes attaques sur
circuits sécurisées que l’on peut rencontrer dans le domaine de la microélectronique, telles
que les attaques semi-invasives, non invasives ou invasives par exemple. Une seconde partie
théorique dédiée à l’interaction laser-silicium au niveau physique nous permet d’étudier les
différents acteurs mis en jeu (propriétés physiques du laser – puissance, diamètre et profil du
faisceau), avant de les importer comme paramètres dans le domaine électrique.
Cette étude se poursuit alors par l’élaboration d’un modèle électrique et d’une
méthodologie de simulation dont le but est de permettre de reproduire le comportement de
n’importe quel circuit impacté par un laser. Le flot de modélisation passe ainsi en revue
l’ensemble des paramètres contrôlables en entrée, qu’il s’agisse des propriétés physiques du
laser, traduites dans le domaine électrique, ou encore de la réalité géométrique du circuit
impacté, quel que soit sa complexité. Par ailleurs, la flexibilité de cette approche permet de
s’adapter à toute évolution du modèle de l’impact laser en lui-même. Il est ainsi possible de
simuler un impact intégrant ou non tout ou partie des phénomènes parasites déclenchés par le
photocourant. Enfin, il couvre aussi bien des analyses de comportement dans le domaine
statique, que dans celui temporel, où la durée d’impulsion du laser prend toute son
importance.

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Afin de démontrer la cohérence de cette méthodologie face à nos attentes théoriques, le
comportement de transistors NMOS, PMOS et un inverseur CMOS ont été étudiés au niveau
simulation. Cette étude préliminaire nous a permis de calibrer et de valider notre modèle et sa
méthodologie d’utilisation avec la théorie attendue μ création d’un photocourant proportionnel
au potentiel appliqué sur la jonction de drain et couplé au potentiel photoélectrique ainsi qu’à
la surface impactée, déclenchement des bipolaires parasites latéraux, etc…. L’analyse sur un
inverseur CMτS bufferisé ou non nous donne encore plus d’informations quant aux analyses
dynamiques ou statiques : un impact sur un état statique (0 ou 1) ne peut entraîner que des
fautes fonctionnelles, alors qu’un impact sur une transition ralentit ou accélère le signal en
sortie, au risque de générer une faute fonctionnelle.
Enfin, l’étude de différents circuits complexes sur silicium face à plusieurs types de
faisceau laser nous a permis de confronter notre méthodologie à la mesure. Une chaîne
d’inverseurs, une bascule de type D, et un circuit de verrouillage ont ainsi été impactés. Les
résultats observés en simulation sont cohérents avec la mesure, notamment du point de vue
comportemental et fonctionnel. Bien plus, cet outil de prédiction macroscopique nous permet
d’analyser dans le détail les mécanismes sous-jacents à la création de fautes observées, afin de
comprendre les faiblesses du circuit ou celles de son implémentation layout. Des parades
peuvent alors être testées.
Ce travail final valide ainsi l’outil développé ainsi que sa méthodologie
d’implémentation : ce « flot d’intégration » pourrait permettre aux concepteurs d’anticiper ou
prédire le comportement d’un circuit face à un impact laser, afin de trouver des solutions de
contremesures et de rendre ainsi plus robustes leurs circuits face aux attaques laser.
MOTS CLÉS : Interaction laser-silicium, laser, modélisation électrique, flot d’intégration,
méthodologie, fautes fonctionnelles, fautes comportementales, CMOS, prédiction du
comportement, photocourant, potentiel photoélectrique