DE10101281C1

DE10101281C1 - Data or information protection circuit compares photodiode light sensor current with reference current for tampering detection

Info

Publication number: DE10101281C1
Application number: DE10101281A
Authority: DE
Inventors: Helmut Horvat
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2021-01-13

Abstract

The protection circuit has a photodiode light sensor (1), a reference current generator (2) and a current comparator (3), providing a signal when the detected light signal current is above the reference current, for altering the state of the protected circuit The reference current generator and the current comparator are integrated in the same semiconductor chip as the photodiode, together with a memory cell (4) storing the comparator signal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, die dafür vorgesehen ist, eine elektronische Schaltung gegen An griffe durch Einstrahlen von Licht zu schützen.The present invention relates to a protection circuit which is provided for an electronic circuit against An to protect handles by shining light.

Schaltungen mit hohem Bedarf an Informationssicherheit benö tigen Schutzmechanismen gegen Angriffe durch eingestrahltes Licht. Durch Lichtblitze lassen sich Ablaufstörungen oder Funktionsstörungen der Schaltungen auslösen oder sicherheits relevante Informationen aus der Schaltung ausspionieren. Eine derartige Behandlung einer Schaltung wird im Englischen mit "tamper" bezeichnet; eine Schutzmaßnahme dagegen wird mit dem Attribut "anti-tamper" versehen. Derartige Schutzschaltungen werden z. B. bei Banken eingesetzt, um die Information der vorhandenen elektronischen Schaltungen gegen Ausspionieren zu sichern. Außerdem soll ein missbräuchlicher Einsatz der Schaltungen verhindert werden. Zu diesem Zweck werden Licht sensoren, die im Wesentlichen aus Fotodioden oder Fototran sistoren bestehen, in einer diskret aufgebauten Schaltung verwendet. Im Prinzip ist es auch möglich, die Komponenten einer derartigen Schutzschaltung in einem Halbleiterchip zu integrieren.Circuits with a high need for information security protection mechanisms against attacks by irradiated Light. Flashes of light can be used to disrupt or Trigger circuit malfunctions or safety spy on relevant information from the circuit. A Such treatment of a circuit is used in English referred to as "tamper"; a protective measure against this is the Provide the attribute "anti-tamper". Such protective circuits z. B. used in banks to the information of existing electronic circuits against spying to back up. In addition, an improper use of the Circuits can be prevented. For this purpose, light sensors, which essentially consist of photodiodes or phototrans sistors exist in a discrete circuit used. In principle, it is also possible to use the components such a protection circuit in a semiconductor chip integrate.

In der DE 196 39 033 C1 ist ein Analysierschutz für einen Halbleiterchip beschrieben, bei dem als Kopierschutz ein re sonanzfähiger Schwingkreis an der Chipoberfläche innerhalb einer Abdeckung und eine damit verbundene Auswerteschaltung vorgesehen sind.DE 196 39 033 C1 is an analysis protection for one Semiconductor chip described in which a re resonant circuit on the chip surface inside a cover and an associated evaluation circuit are provided.

In der WO 00/11719 A1 ist ein Halbleiterchip mit einer Oberflä chenabdeckung beschrieben, die mindestens eine elektrisch leitfähige Schutzschicht umfasst, die mit einem Schutzsensor, insbesondere mit einem Transistor, verbunden ist. Damit ist es möglich, ein Entfernen der Schutzschicht mittels fokus sierten Ionenstrahls zu detektieren.WO 00/11719 A1 describes a semiconductor chip with a surface Chen cover described, the at least one electrically includes a conductive protective layer with a protective sensor, in particular connected to a transistor. So that is it is possible to remove the protective layer by means of focus to detect ionized beam.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schutzschal tung gegen Lichtangriffe anzugeben, die in möglichst einfa cher Weise in einem Halbleiterchip integriert werden kann.The object of the present invention is to provide a protective scarf against light attacks, which should be as simple as possible cher way can be integrated in a semiconductor chip.

Diese Aufgabe wird mit der Schutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is done with the protection circuit with the features of claim 1 solved. Refinements result from the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung besteht aus einer Foto diode als Lichtsensor, einem aus integrationsfähigen Kompo nenten aufgebauten Referenzstromgenerator, einem Stromvergleicher und gegebenenfalls noch einer Speicherzelle. Die Komponenten dieser Schaltung sind so ausgebildet, dass sie im Rahmen eines CMOS-Prozesses ohne wesentlichen zusätzlichen Aufwand hergestellt werden können. Bei Auftreten einer Foto stromstärke, die über der Referenzstromstärke liegt, wird an einem Ausgang der Schaltung ein Signal erzeugt, mit dem der Zustand einer zu schützenden Schaltung in einer vorgesehenen Weise verändert wird. Dabei kann es sich um ein Zurücksetzen (reset) in einen ursprünglichen Zustand handeln oder auch um eine Veränderung, die die Schaltung unbrauchbar macht. Bei der Ausführungsform mit zusätzlicher Speicherzelle ist es möglich, das Auftreten einer erhöhten Fotostromstärke als In diz für einen Lichtangriff dauerhaft anzuzeigen oder ein zu gehöriges Signal einer anderweitigen Auswertung zugänglich zu machen. Sowie der Fotostrom den Wert der Referenzstromstärke überschreitet, wird in dem Speicher eine entsprechende Infor mation abgelegt. Davon abgeleitet kann eine Veränderung der zu schützenden Schaltung vorgenommen werden. Alternativ be steht die Möglichkeit, insbesondere bei Ausführungsformen oh ne Speicher, das von der Schutzschaltung erzeugte Signal di rekt der zu schützenden Schaltung in der Weise zuzuführen, dass sofort eine vorgesehene Veränderung der Schaltung be wirkt wird. Das erzeugte Signal kann z. B. direkt als Reset- Signal der zu schützenden Schaltung eingesetzt werden.The protective circuit according to the invention consists of a photo diode as light sensor, one made of integrable compo nent constructed reference current generator, a current comparator and possibly also a memory cell. The Components of this circuit are designed so that they are in the Framework of a CMOS process without any significant additional Effort can be produced. When a photo occurs current that is above the reference current will turn on an output of the circuit generates a signal with which the State of a circuit to be protected in an intended Way is changed. It can be a reset (reset) act in an original state or around a change that makes the circuit unusable. at it is the embodiment with an additional memory cell possible, the occurrence of an increased photo current strength as In diz permanently display for a light attack or a too appropriate signal accessible for other evaluation do. As well as the photo current the value of the reference current corresponding information is stored in the memory mation filed. A change in the to be protected circuit. Alternatively be there is the possibility, especially in embodiments oh ne memory, the signal generated by the protective circuit di right to the circuit to be protected in such a way that immediately be a planned change in the circuit will work. The signal generated can e.g. B. directly as reset Signal of the circuit to be protected are used.

Für die Erzeugung des Referenzstromes stehen verschiedene an sich bekannte Mittel zur Verfügung, die im Rahmen eines Stan dard-CMOS-Prozesses hergestellt werden können. Bei einer be sonders bevorzugten Ausführungsform der Schutzschaltung um fasst der Referenzstromgenerator einen elektrischen Wider stand, der als niedrig dotierter und daher elektrisch schwach leitender Bereich in Halbleitermaterial ausgebildet ist. Um eine Manipulation dieses Widerstandes zu verhindern, wird der Widerstand mit einer lichtundurchlässigen Abdeckung versehen. Eine weitere bevorzugte, da einfach herstellbare Ausführungs form sieht vor, den Widerstand des Referenzstromgenerators aus Polysilizium auszubilden. Da ein derartiger Widerstand weitgehend lichtunempfindlich ist, kann eine lichtundurchläs sige Abdeckung entfallen oder zumindest sehr einfach ausge staltet sein. Der angeschlossene Stromvergleicher ist bei der Schutzschaltung mit elektronischen Bauelementen einer an sich bekannten Schaltung bestückt. Als Speicherelement kommt ins besondere ein konventionelles RS-Flipflop in Frage. Vorzugs weise ist zwischen dem Stromvergleicher und dem Speicherele ment oder dem Ausgang der Schutzschaltung ein Stromverstärker angeordnet.Various are pending for the generation of the reference current well-known means available under a Stan dard CMOS process can be produced. With a be particularly preferred embodiment of the protective circuit the reference current generator summarizes an electrical resistance stood, which as low doped and therefore electrically weak conductive area is formed in semiconductor material. Around to prevent manipulation of this resistance Cover the resistor with an opaque cover. Another preferred, because it is easy to manufacture form provides the resistance of the reference current generator from polysilicon. Because such resistance is largely insensitive to light, can be opaque Coverage omitted or at least very simple be. The connected current comparator is with the Protection circuit with electronic components one in itself known circuit equipped. As a storage element comes in especially a conventional RS flip-flop in question. virtue is wise between the current comparator and the storage element ment or the output of the protective circuit a current amplifier arranged.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen der erfin dungsgemäßen Schutzschaltung anhand der Fig. 1 und 2.The following is a more detailed description of examples of the protective circuit according to the invention with reference to FIGS . 1 and 2.

Die Fig. 1 zeigt ein Schaltbild für ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel. Fig. 1 shows a circuit diagram for a preferred exporting approximately, for example.

Die Fig. 2 zeigt die Struktur einer bevorzugten Ausgestal tung der Fotodiode. Fig. 2 shows the structure of a preferred Ausgestal tung the photodiode.

In Fig. 1 ist eine komplette erfindungsgemäße Schutzschal tung in einem etwas schematisierten Schaltbild dargestellt. Diese Schutzschaltung ist ein besonders vorteilhaftes Ausfüh rungsbeispiel, da die Komponenten dieser Schaltung auf einfa che Weise im Rahmen eines CMOS-Prozesses hergestellt werden können. Als Lichtsensor 1 ist eine Fotodiode vorhanden, die im Wesentlichen durch einen in Sperrichtung mit einer elek trischen Spannung beaufschlagten pn-Übergang gebildet ist. Ein bei Lichteinfall generierter Fotostrom wird auf einen Eingang des Stromvergleichers 3 gelegt, der aus Feldeffekt transistoren aufgebaut ist. An den anderen Eingang des Strom vergleichers 3 wird der von dem Referenzstromgenerator 2 er zeugte Referenzstrom gelegt. Der Vergleicher 3 liefert ein Ausgangssignal SIG, falls der Fotostrom eine größere Strom stärke aufweist als der Referenzstrom. Das Signal kann direkt der zu schützenden Schaltung z. B. als Reset-Signal zugeführt werden. Bei der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung wird das Signal aber zunächst einem Speicher 4, der hier durch ein RS-Flipflop gebildet ist, zugeführt. In dem Stromvergleicher 3 kann vorteilhaft auch eine Stromverstärkung erreicht werden; das Übersetzungsverhältnis ist durch Skalieren der Stromspiegel frei wählbar. Die Stromrichtung kann durch Ver wendung eines invertierenden Stromspiegels auch umgekehrt werden. Die in Fig. 1 gezeigte Darstellung ist vollständig auf Silizium integrierbar. Ein Spannungsverstärker 8, der auch weggelassen sein kann, dient dazu, die Flankensteilheit des Ausgangssignales SIG des Stromvergleichers 3 zu erhöhen.In Fig. 1, a complete protective circuit device according to the invention is shown in a somewhat schematic circuit diagram. This protective circuit is a particularly advantageous embodiment, since the components of this circuit can be produced in a simple manner as part of a CMOS process. As a light sensor 1 there is a photodiode which is essentially formed by a pn junction acted upon in the blocking direction with an electrical voltage. A photo current generated upon incidence of light is placed on an input of the current comparator 3 , which is constructed from field-effect transistors. At the other input of the current comparator 3 , the reference current generator 2 it generates is generated reference current. The comparator 3 delivers an output signal SIG if the photo current has a greater current intensity than the reference current. The signal can directly the circuit to be protected z. B. be supplied as a reset signal. In the circuit shown in FIG. 1, however, the signal is first fed to a memory 4 , which is formed here by an RS flip-flop. A current gain can advantageously also be achieved in the current comparator 3 ; the transmission ratio can be freely selected by scaling the current mirror. The current direction can also be reversed by using an inverting current mirror. The representation shown in FIG. 1 can be fully integrated on silicon. A voltage amplifier 8 , which can also be omitted, serves to increase the slope of the output signal SIG of the current comparator 3 .

Der Referenzstromgenerator kann im einfachsten Fall mit einem Widerstand ausgebildet sein, der als n-Wanne in p-dotiertem Halbleitermaterial ausgebildet ist. Die Dotierstoffkonzentra tion ist dem erforderlichen Widerstandswert entsprechend be messen. Eine Abdeckung, z. B. durch eine Metallisierung, schützt diesen dotierten Bereich vor einem Lichtangriff. Der Widerstand kann alternativ als aufgebrachte und strukturierte Polysilizium-Leiterbahn realisiert sein. Ersatzweise sind auch ein im Arbeitsbereich betriebener Transistor oder eine so genannte Bandgap-Referenz einsetzbar, die von der Tempera tur und von der Versorgungsspannung unabhängig ist. Der Stromvergleicher ist einfach in der so genannten "Current- Mode-Technik" mit zweimal zwei Transistoren zu realisieren. Ersatzweise kann auch ein Current-Conveyor oder eine auf ei nem Operationsverstärker basierende Schaltung verwendet wer den. Als Speicherelement kann im Prinzip jede ausreichend schnell programmierbare Speicherzelle anstelle des darge stellten RS-Flipflops verwendet werden.In the simplest case, the reference current generator can be operated with a Resistance can be formed as a n-well in p-doped Semiconductor material is formed. The dopant concentration tion is the required resistance value measure up. A cover, e.g. B. by metallization, protects this doped area from light attack. The Resistance can alternatively be angry and structured Polysilicon conductor track can be realized. Are alternate also a transistor operated in the work area or a so-called bandgap reference can be used by the tempera structure and is independent of the supply voltage. The Current comparator is simply in the so-called "current Mode technology "with two transistors twice. Alternatively, a current conveyor or one on an egg nem operational amplifier based circuit used the. In principle, each can suffice as a storage element quickly programmable memory cell instead of the darge provided RS flip-flops can be used.

Die Fotodiode ist vorzugsweise mit einem dotierten Bereich ausgebildet, der in für entgegengesetzte Vorzeichen der Leit fähigkeit dotiertes Halbleitermaterial eingebetet ist, so dass die Grenzfläche zwischen diesen Bereichen, die den pn- Übergang der Fotodiode bildet, möglichst groß ist. Auf diese Weise kann eine Fotodiode mit hoher Stromergiebigkeit reali siert werden. In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel dargestellt. Ein dotierter Bereich 6 ist zum Beispiel nach Art einer dotierten Wanne in entgegengesetzt dotiertes Halbleitermaterial eingebettet, das den weiteren dotierten Bereich 7 bildet. Der dotierte Bereich 6 ist z. B. n-leitend, während das umgebende Halbleitermaterial des dotierten Berei ches 7 p-leitend ist. Die mäanderförmige Struktur des ersten dotierten Bereiches 6 ist dafür vorgesehen, eine möglichst große Grenzfläche zwischen diesen dotierten Bereichen zu schaffen. Alternativ kann der erste dotierte Bereich 6 mit einer polygonalen Struktur ausgebildet sein. Von Vorteil ist jedenfalls, wenn die Grenzfläche des pn-Überganges möglichst groß ist. Die Ausbildung der Fotodiode als n-Wanne ist beson ders vorteilhaft, da entsprechende Herstellungsschritte wäh rend eines CMOS-Prozesses ohnehin erfolgen.The photodiode is preferably formed with a doped region which is embedded in semiconductor material doped for opposite signs of conductivity, so that the interface between these regions, which forms the pn junction of the photodiode, is as large as possible. In this way, a photodiode with high current yield can be realized. In Fig. 2, a preferred game is Ausführungsbei shown. A doped region 6 is embedded, for example, in the manner of a doped trough in oppositely doped semiconductor material which forms the further doped region 7 . The doped region 6 is e.g. B. n-type, while the surrounding semiconductor material of the doped region 7 is p-type. The meandering structure of the first doped region 6 is intended to create the largest possible interface between these doped regions. Alternatively, the first doped region 6 can be formed with a polygonal structure. In any case, it is advantageous if the interface of the pn junction is as large as possible. The formation of the photodiode as an n-well is particularly advantageous since corresponding manufacturing steps take place anyway during a CMOS process.

Auf dem dotierten Bereich 6 kann ein Anschlusskontakt 9, z. B. als Kontaktlochfüllung in einem Intermetalldielektri kum, für den elektrischen Anschluss aufgebracht sein. Grund sätzlich ist es bei der integrierten Anordnung aber auch mög lich, innerhalb des dotierten Halbleitermateriales den do tierten Bereich 6 über einen daran angrenzenden Bereich aus reichend hoher Dotierstoffkonzentration und damit ausreichend hoher Leitfähigkeit direkt mit dem Eingang des Stromverglei chers 3 elektrisch leitend zu verbinden. Eine Realisierung der Fotodiode ist auch als Wanne unterhalb der Auswerteschal tung möglich, das heißt in tiefer gelegenen Schichten des Halbleiterchips unterhalb der aktiven Bauelemente, die an der Oberseite des Chips angeordnet sind. Bei dieser Ausführungs form ist der vorzugsweise n-leitend dotierte vergrabene Be reich die Kathode, das Halbleiterchip-Substrat die Anode.On the doped region 6, a terminal contact 9 can, for. B. as a contact hole filling in an intermetallic dielectric, can be applied for the electrical connection. In principle, however, it is also possible with the integrated arrangement to connect the doped region 6 within the doped semiconductor material via an adjoining region of sufficiently high dopant concentration and thus sufficiently high conductivity directly to the input of the current comparator 3 in an electrically conductive manner. The photodiode can also be implemented as a trough below the evaluation circuit, that is to say in lower layers of the semiconductor chip below the active components which are arranged on the top of the chip. In this embodiment, the preferably n-type doped buried region is the cathode and the semiconductor chip substrate is the anode.

Claims

1. Protection circuit with
a light sensor ( 1 )
a reference current generator ( 2 ) and
a comparator ( 3 ),
characterized in that
the light sensor is a photodiode,
the reference current generator and the comparator with the photo diode are integrated in a semiconductor chip and
in the event of a photo current strength which is above the reference current strength, a signal is generated at an output of the circuit with which the state of a circuit to be protected is changed in an intended manner.

2. Protection circuit according to claim 1, in which the comparator is followed by a memory ( 4 ) in which the generated signal is stored.

3. Protection circuit according to claim 1 or 2, in which the reference current generator ( 2 ) and the comparator ( 3 ) are formed as structures in doped semiconductor material and comprise at least one field effect transistor ( 5 ).

4. Protection circuit according to one of claims 1 to 3, in which the photodiode is designed as a doped region ( 6 ) which is embedded in doped semiconductor material for opposite signs of conductivity.

5. Protection circuit according to one of claims 1 to 4, in which the reference current generator ( 2 ) comprises a doped region ( 7 ) which is embedded in semiconductor material doped for opposite signs of conductivity and is covered in a non-translucent manner.

6. Protection circuit according to one of claims 1 to 4, in which the reference current generator has a polysilicon resistor includes.