DE10065339A1 - Kapazitiver Sensor als Schutzvorrichtung gegen Angriffe auf einen Sicherheitschip - Google Patents

Abstract

Auf einer Oberfläche (3) eines Halbleiterchips (1) ist eine Mehrzahl von Kondensatoren in Form einer regelmäßigen Anordnung von Elektroden (5) aufgebracht, wobei die Kapazität der Kondensatoren teilweise durch das Vorhandensein einer elektrisch isolierenden Abdeckung (4) bestimmt wird. Die Kondensatoren sind mit einer Auswerteschaltung verbunden, welche eine Funktion auslöst, wenn sich durch mindestens teilweises Entfernen der Abdeckung (4) die Kapazität eines oder mehrerer Kondensatoren ändert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Schutzvorrich­ tungen für integrierte Halbleiterschaltungen, die sicher­ heitsrelevante Informationen enthalten oder aus anderen Grün­ den vor einem Zugriff vor außen geschützt werden sollen. Da­ bei betrifft die Erfindung im speziellen einen Analysier­ schutz für einen Halbleiterchip, welcher eine elektrisch iso­ lierende Abdeckung aufweist.

Bei integrierten Halbleiterschaltungen kann aus verschiedenen Gründen ein Bedürfnis bestehen, diese vor einem Zugriff von außen zu schützen und eine Analyse von ihrem Aufbau oder von in ihnen gespeicherten Informationen unmöglich zu machen oder zumindest erheblich zu erschweren. Zum einen sind bekanntlich die Entwicklungskosten eines integrierten Schaltkreises, nachfolgend Halbleiterchip genannt, sehr hoch, während die Herstellungskosten vergleichsweise gering ausfallen können, so daß sie der Gefahr ausgesetzt sind, unerlaubt analysiert und kopiert zu werden. Zum anderen können in dem Schaltkreis sicherheitsrelevante Informationen abgespeichert sein, die vor einem unautorisierten Auslesen geschützt werden sollen.

Eine bekannte Schutzvorrichtung besteht darin, eine elek­ trisch isolierende Abdeckung zumeist in Form einer Kunst­ stoffvergußmasse mechanisch fest mit dem Chip zu verbinden. Mit entsprechend großem Aufwand ist es jedoch möglich, die Abdeckung so zu entfernen und die Oberfläche frei zugänglich zu machen, daß Funktion und Aufbau des Halbleiterchips nach­ vollzogen werden können. Daher wurde in der DE 196 39 033 C1 ein Analysierschutz für einen Halbleiterchip mit einer Abdec­ kung beschrieben, welcher einen resonanzfähigen Schwingkreis aufweist, dessen Elemente sich an der Chipoberfläche und in­ nerhalb der Abdeckung befinden. Eine damit verbundene Auswerteschaltung setzt den Halbleiterchip außer Funktion, wenn der Schwingkreis aus der Resonanz gebracht wird. Diese Verstim­ mung des Schwingkreises tritt ein, wenn die als Dielektrikum des Kondensators wirkende Abdeckung entfernt wird. Demnach ist es nicht möglich, den Halbleiterchip zum Kopieren oder Analysieren mit abgenommener Abdeckung in Betrieb zu nehmen.

Dieser Analysierschutz weist jedoch den Nachteil auf, daß er nur dann wirksam wird, wenn die Andeckung auf der betreffen­ den Oberfläche vollständig entfernt wird. Ein unter Umständen nur teilweises Entfernen der Abdeckung könnte daher durch diesen Analysierschutz unbemerkt bleiben. Dieser Analysier­ schutz bietet daher keinen ausreichenden Schutz des Halblei­ terchips vor mikroinvasiven Eingriffen von außen.

Eine weitere Sicherung gegen das Analysieren eines Halblei­ terchips ist aus der EP 03 78 306 A2 bekannt, wobei das Zer­ stören einer leitfähigen Schicht bei der versuchten Analyse zur Datenlöschung führt. Auch bei dieser Sicherungseinrich­ tung wird hingegen die Datenlöschung nur dann durchgeführt, wenn die leitfähige Schicht vollständig zerstört wird, so daß Schutz gegen mikroinvasive Eingriffe auch hier nicht möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutz­ vorrichtung für einen Halbleiterchip, insbesondere Sicher­ heitschip anzugeben, welche eine elektrisch isolierende Ab­ deckung aufweist, dessen Schutzwirkung auch gegen mikroinva­ sive Eingriffe, insbesondere gegen nur partielles Entfernen der elektrisch isolierenden Abdeckung des Halbleiterchips be­ steht.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, auf der Oberfläche des Halbleiterchips, welcher eine zu schützende Logikschaltung aufweist, eine Mehrzahl von Elektroden vor­ zusehen, durch die Kondensatoren gebildet werden, deren Kapa­ zität teilweise durch das Vorhandensein der elektrisch iso­ lierenden Abdeckung des Halbleiterchips bestimmt wird. Die Elektroden sind räumlich voneinander getrennt und in Form ei­ ner regelmäßigen Anordnung, insbesondere einer Matrix, auf der Chipoberfläche geformt. Die durch sie gebildeten Konden­ satoren sind mit einer Auswerteschaltung verbunden, welche eine Funktion auslöst, wenn sich durch mindestens teilweises Entfernen der Abdeckung die Kapazität von einem oder mehreren der Kondensatoren ändert.

Der Begriff Kondensator soll dabei in einer umfassenden Be­ deutung verwendet werden, die auch eine isoliert angeordnete Elektrode umfaßt, auf die eine Ladungsmenge aufgebracht wer­ den soll. Die erfindungsgemäß regelmäßig angeordneten Elek­ troden können für sich genommen als isolierte Leiter aufge­ faßt werden, über denen sich eine Abdeckung befindet. Wird die dielektrische Abdeckung entfernt, so sind die Elektroden direkt der Umgebung ausgesetzt, wodurch sich ihre Kapazität ändert. Es kommt jedoch hinzu, daß einander benachbarte Elek­ troden Kondensatoren bilden, zwischen denen die Abdeckung als Dielektrikum angeordnet ist. Wird die Abdeckung entfernt, so vermindert sich die Kapazität um den selben Faktor, um den sich die Dielektrizitätskonstante vermindert.

Die Auswerteschaltung kann so konfiguriert werden, daß sie bereits auf eine Kapazitätsänderung von nur einem Kondensator oder einiger nebeneinander liegender Kondensatoren anspricht und eine Funktion auslöst. Diese Funktion kann verschiedener Art sein. Es kann veranlaßt werden, daß bestimmte sicher­ heitsrelevante Informationen oder Daten auf dem Chip gelöscht werden. Es können auch bestimmte Leiterbahnen oder -stränge durchtrennt werden, wodurch es einem Angreifer praktisch un­ möglich wird, den Chip zu gebrauchen, zu analysieren oder auszulesen. Weiterhin kann die Funktion darin bestehen, einen Alarm auszulösen.

In einer besonderen Ausführungsform wird der aus der Mehrzahl von Elektroden gebildete kapazitive Sensor durch einen Fin­ gerabdrucksensor gebildet. Hierfür kann einer an sich im Stand der Technik bekannter Fingerabdrucksensor verwendet werden, wie er beispielsweise in der EP 0 902 387 A2 bekannt ist, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. In deren Fig. 1 ist eine matrix­ förmige Anordnung von Elektroden dargestellt, die unterhalb einer dünnen dielektrischen Oberflächenschicht des Fingerab­ drucksensors angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wä­ ren somit die Elektroden nicht direkt auf der Oberfläche des zu schützenden Halbleiterchips angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die ein­ zige Figur zeigt schematisch eine perspektivische Teil­ schnitt-Ansicht eines Halbleiterchips in einem Gehäuse.

Ein Halbleiterchip 1 befindet sich etwa zentrisch in einem quaderförmigen Gehäuse 2 aus elektrisch isolierender Kunst­ stoffmasse, welches mit seinem oberen Bereich eine Abdeck­ schicht für die Oberseite des Halbleiterchips 1 bildet. Über der Chipoberfläche 3 liegt demnach eine Abdeckung 4 aus di­ elektrischem Material. Der Halbleiterchip 1 enthält eine schematisch angedeutete integrierte Schaltung 10, deren Auf­ bau und/oder Dateninhalt vor einem Zugriff vor außen ge­ schützt werden soll. Die integrierte Schaltung 10 kann bei­ spielsweise einen Speicher enthalten, in dem ein privater Schlüssel für die elektronische Verschlüsselung von Nachrich­ ten gespeichert ist.

Auf der Chipoberfläche 3 sind Kondensatorelektroden 5 in ei­ ner matrixförmigen Anordnung aufgebracht. Wie anhand der rechten oberen Kondensatorelektrode 5 beispielhaft angedeutet ist, werden durch die Kondensator-elektroden 5 sowohl Kapa­ zitäten zur Umgebung außerhalb der Abdeckung 4 als auch zu jeweils benachbarten Kondensatorelektroden 5 gebildet. Beide Kapazitäten werden geändert, wenn die Abdeckung 4 entfernt wird. Da die Kapazität zwischen benachbarten Kondensatoren 5 maßgeblich sein dürfte, verringert sich durch das Entfernen der Abdeckung 4 die Kapazität, da das Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten entfernt wird und somit die Dielektri­ zitätskonstante von dem Wert der Kunststoffmasse auf etwa den Wert 1 abnimmt. Als Meßgröße für die verminderte Kapazität kann letztlich eine Ladungsmenge verwendet werden, die bei einer gegebenen Spannung auf die Kondensatorelektroden 5 ge­ bracht werden kann. Wenn diese Ladungsmenge einen vorgegebe­ nen Wert unterschreitet, so wird dies durch eine Auswerte­ schaltung (nicht dargestellt) festgestellt und durch die Aus­ werteschaltung eine Funktion ausgelöst.

Die Darstellung in der Zeichnung, insbesondere die relative Anordnung von Elektroden 5 und integrierter Schaltung 10 ist lediglich schematischer Natur. Tatsächlich ist von Bedeutung, daß die mit den durch die Elektroden 5 gebildeten Kondensato­ ren verbundene Auswerteschaltung auch dort angeordnet ist, wo sich die zu schützende Logikschaltung befindet. Die Auswerte­ schaltung und die Kondensator-Schutzvorrichtung sollten im wesentlichen unmittelbar oberhalb der zu schützenden Schal­ tung liegen.

Es kann auch eine Kapazitätsdetektion vorgesehen sein, wie sie bei Fingerabdrucksensoren eingesetzt wird. Diesbezüglich wird die EP 0 902 387 A2, insbesondere die Fig. 1 bis 3 sowie die zugehörige Beschreibung, in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen. Es kann auch vorgesehen sein, daß ein darin beschriebener Fingerabdrucksensor als komplettes Bauelement auf die Chipoberfläche 3 aufgebracht wird. Die Auswerteschaltung kann dabei ebenfalls auf dem Fin­ gerabdrucksensor angeordnet werden. In diesem Ausführungsbei­ spiel sind somit die Kondensatorelektroden 5 nicht direkt auf der Chipoberfläche 3 angeordnet. Vielmehr werden sie auf dem Fingerabdrucksensor in an sich bekannter Weise geformt. Der Fingerabdrucksensor wird separat von dem Halbleiterchip 1 hergestellt, zusätzlich mit der Auswerteschaltung versehen und auf der Chipoberfläche 3 befestigt. Die Verwendung eines an sich im Stand der Technik bekannten Fingerabdrucksensors für den erfindungsgemäßen Zweck hat den Vorteil, daß ein der­ artiger Sensor Funktionen bereitstellt, wie sie gerade bei der Erfindung benötigt werden. Insbesondere ist bei einem Fingerabdrucksensor üblicherweise eine Auswerteschaltung vor­ handen, die eine Kapazitätsänderung bei einzelnen Kondensa­ torelektroden feststellt und in geeigneter Weise auswertet.

Die Erfindung macht es somit im Prinzip möglich, eine Ände­ rung der Kapazität von einzelnen Kondensatorelektroden 5 festzustellen und durch eine Auswerteschaltung eine geeignete Schutzfunktion auszulösen. Somit wird es für einen Angreifer praktisch unmöglich die Abdeckung 4 auch nur an einzelnen kleinen Stellen durch Ätzen oder dergleichen zu entfernen, um eine Analyse des Halbleiterchips 1 vorzunehmen.

Claims (4)

1. Schutzvorrichtung für einen Halbleiterchip (1) mit einer elektrisch isolierenden Abdeckung (4), bei welchem
auf einer Oberfläche (2) des Halbleiterchips (1) eine Mehr­ zahl von Kondensatoren in Form von einer regelmäßigen Anord­ nung von Elektroden (5) aufgebracht ist, wobei die Kapazität der Kondensatoren teilweise durch das Vorhandensein der Ab­ deckung (4) bestimmt wird,
die Kondenstoren mit einer Auswerteschaltung verbunden sind, welche eine Funktion auslöst, wenn sich durch minde­ stens teilweises Entfernen der Abdeckung (4) die Kapazität eines oder mehrerer Kondensatoren ändert.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Auswerteschaltung maßgebliche Meßgröße die auf die Elektroden (5) aufzubringende Ladungsmenge ist.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5) und die Auswerteschaltung Teil eines Fingerabdrucksensors sind.

4. Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5) in Form einer Matrix angeordnet sind.