Numerical and electronic simulation of bitflip in electronic circuits under laser fault injection

Context

The Organic And SIlicon Systems (OASIS) department of the Institut d'Electronique et des Technologies du NuméRique (IETR, CNRS) is developing research activities into the vulnerability of hardware systems through fault injection by laser irradiation on secure electronic components and circuits. The exposure of electronic components and/or circuits to nanosecond infrared laser pulses causes transient malfunctions in the basic cells of the electronic circuits concerned (CMOS inverters in RAM memories, for example) that can induce faults responsible for the inversion of a bit (Bitflip), and therefore modify a set of instructions for encoding data, making the device more vulnerable. These faults are induced by the (transient) conduction of a MOSFET transistor initially blocked by the generation of electron/hole pairs due to the absorption of photon flux during laser irradiation. This work is part of an assessment of the robustness of secure electronic circuits based on advanced CMOS technologies (FD SOI, UTBOX, FINFET).

Subject

Of all the studies carried out on assessing the robustness of electronic systems using the laser fault injection method, no study has been carried out to rely the effects of laser/silicon interaction on the electronic properties of circuits subjected to laser fault injection. In this project, we propose to develop a fault model based on the theoretical model of induced photo-current developed in the laboratory [1], combined with the electronic model describing the fault in CMOS inverters. At the same time, this modelling work will be based on TCAD Sentaurus numerical simulation work recently carried out during a master's course, in connection with the microscopic electronic properties of small MOS transistors associated with the most advanced technological nodes (FDSOI planar and FINFET technologies). The study carried out in this project will pave the way for bitflip simulation using the laser fault injection method on basic digital units (2-transistor CMOS inverters) of advanced silicon technologies, and therefore in digital cells for predicting fault migration in more complex electronic systems (microprocessors, etc.). This bottom-up approach will enable a parametric analysis of the physical fault phenomena linked to the technology, in order to anticipate experimental studies of vulnerability by laser fault injection on complex electronic systems.

[1] L. Pichon, L. Le Brizoual, E. Ferrucho-Alvarez, L. Claudepierre, J. L. Autran « Theoretical model of transient current in CMOS inverter under IR laser pulse responsible of bitflip in FDSOI technology » IEEE Transactions on Electron Devices (2025). DOI: 10.1109/TED.2025.3538002

Structuré en 6 départements et 14 équipes thématiques de recherche, les travaux que nous menons adressent de multiples défis scientifiques majoritairement liés à la transformation numérique de la société, mais aussi à ses transitions en matière d’environnement, d’écologie, d’énergie et de santé. Résolument ouvert vers le partenariat et la recherche collaborative, l’IETR est un partenaire de choix dans ses domaines d’expertises.

Implanté en Bretagne (Rennes, Saint-Brieuc, Lannion, Coëtquidan) et en Pays de la Loire (Nantes, Angers, La Roche sur Yon), l’IETR rassemble plus de 350 collaborateurs issus des 5 établissements et organismes tutelles du laboratoire (CNRS (Ingénierie et Sciences Informatiques), CentraleSupélec, INSA Rennes, Nantes Université et Université de Rennes) ; l’IETR accueille également des chercheurs et enseignants-chercheurs d’autres établissements et associés par convention d’accueil. L'IETR accueille une 6ème tutelle à partir du 1er janvier 2025 : l'ENS Rennes.

Les principaux domaines d’expertises de l’IETR s’étendent du matériau pour le numérique au système. Ils couvrent les principaux champs disciplinaires suivants : 

Les antennes & dispositifs hyperfréquences sur un très large spectre de fréquences s’étendant de quelques MHz jusqu’au sub-THz ;

La CEM et l’électromagnétisme pour le biomédical ;

Les matériaux multifonctionnels pour la miniaturisation, la reconfigurabilité, les communications, ou encore la récupération ou le stockage d’énergie ;

Les microtechnologies et les microcapteurs selon deux filières (silicium basse température, électronique organique) pour l’étude de circuits ou de microcapteurs ;

Les systèmes de communications numériques et les traitements associés, ainsi que l’électronique connectée et les systèmes embarqués ;

La télédétection, l’imagerie multimodale et les problèmes de propagation (indoor, outdoor, propagation en milieux complexes) ;

L’analyse et le traitement de l’image (compression, prototypage, cryptographie et sécurité des contenus, analyse multimodale, analyse des émotions) ;

L’automatique (commande prédictive, commande adaptative, gestion de l’énergie) ;

Les systèmes d'énergie (transducteurs, systèmes de conversion, réseaux d'énergie, smart grids à énergie renouvelable, Cycle de vie et éco-conception de systèmes électriques).

Expected skills

Some knowledge in component manufacturing technologies (MOSFETs), semiconductor and electronic component physics, nanoelectronics and software tools (TCAD, COMSOL…), electrical modelling circuitries software are preferred.

The whole list of skills is not mandatory but the more you have is better.

As the IETR is part of a ZRR-type perimeter, the candidate will be subject to administrative access approval by the Defence and Security Officer.