DE10119782C1

DE10119782C1 - Verfahren zum Schutz eines IC vor Auslesen sicherheitsrelevanter Daten (Reverse-Engineering)

Info

Publication number: DE10119782C1
Application number: DE2001119782
Authority: DE
Inventors: Manfred Greschitz; Klaus Gruber; Albert Scheucher; Franz Wolf
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2021-04-24

Abstract

Elektrische Leiter, wie z. B. Leiterbahnen oder Leiterflächen (1), die auf dem Halbleiterchip vorhanden sind, werden verwendet, um die Kapazität gegenüber der Umgebung festzustellen. Wird ein auf der Oberseite eines Leiters (10) aufgebrachtes Dielektrikum entfernt, ändert sich die relative Dielektrizitätszahl des an den Leiter angrenzenden Mediums und damit die Kapazität. Ändert sich die Kapazität erheblich, wird ein nicht autorisierter Eingriff angenommen, und es wird eine vorgesehene Schutzfunktion ausgelöst, z. B. das Löschen oder Überschreiben eines in dem Chip integrierten Halbleiterspeichers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer in einem Halbleiterchip integrierten elektronischen Schaltung, insbesondere zur Verwendung bei einem elektroni schen Fingerabdrucksensor.

Bei Halbleiterchips mit elektronischen Schaltungen, die in einem sicherheitsrelevanten Bereich eingesetzt werden, ist es erforderlich, Maßnahmen zu treffen, mit denen verhindert wird, dass in dem Halbleiterchip abgespeicherte Daten aus spioniert werden. Das betrifft insbesondere Daten zur Identi fizierung einer Person, die z. B. bei einem elektronischen Fingerabdrucksensor zum Vergleich mit aktuellen Sensorsigna len abgespeichert sind. Das betrifft ebenso Algorithmen zur Verschlüsselung oder Auswertung elektronisch gespeicherter Daten. Um den Inhalt des Speichers auf einem Halbleiterchip auslesen zu können oder die logischen Verknüpfungen einer elektronischen Schaltung herausfinden zu können, muss der Halbleiterchip zumindest teilweise von Gehäusen oder Abdeck schichten befreit werden. Dazu müssen äußerliche Schichten des Halbleiterchips abgetragen werden. Das geschieht durch mechanische oder chemische Einwirkung oder ein Zusammenwirken dieser Mittel.

In der WO 97/36326 A1 ist ein Bauelement mit einem Schutz gegen Reverse-Engineering beschrieben, bei dem eine elektrische Ka pazität zwischen einem Leiter einer integrierten Schaltung und der Umgebung überprüft wird, um festzustellen, ob das Chipgehäuse entfernt wurde. In der DE 199 01 384 A1 ist ein durch geeignet angeordnete Leiter gebildeter ESD-Schutz für einen Fingerabdrucksensor beschrieben.

Bei dem Entfernen einer Passivierungsschicht können Leiter bahnen derart miteinander kurzgeschlossen werden, dass elektronische Bauelemente der Schaltung zerstört werden oder eine wesentliche Veränderung der zur Programmierung eines Speichers aufgebrachten Ladungen erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schutz einer in einem Halbleiterchip integrierten elektroni schen Schaltung vor Auslesen sicherheitsrelevanter Daten anzugeben, einfach realisierbar ist und gleichzeitig einen zuverlässigen Schutz gegen einen Eingriff von außen bietet.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab hängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet elektrische Leiter, wie z. B. Leiterbahnen oder Leiterflächen, die auf dem Halb leiterchip vorhanden sind, um die Kapazität gegenüber der Um gebung festzustellen. Derartige elektrische Leiter sind in der Regel bei jedem Halbleiterchip an der Oberfläche als Ver drahtung in einer Metallisierungsebene ausgebildet. Die Kapa zität ist im Wesentlichen durch die Größe der Leiter und ein darauf aufgebrachtes Dielektrikum bestimmt. Wird dieses Di elektrikum entfernt, so dass die Leiter der umgebenden Luft direkt ausgesetzt sind, ändert sich wegen der jetzt geänder ten relativen Dielektrizitätszahl des an die Leiter angren zenden Mediums die detektierte Kapazität; in den meisten Fäl len wird die Kapazität abnehmen.

Wird eine Deckschicht oder Passivierung aus einem dielektri schen Material über dem Leiter vollständig entfernt, ändert sich die Kapazität so deutlich, dass der Betrag der Differenz zwischen dem nun festgestellten Wert und dem ursprünglichen Wert der Kapazität merklich über einer vorgegebenen, maximal noch zu tolerierenden Änderung des Kapazitätswertes liegt. In diesem Fall wird ein nicht autorisierter Eingriff in die Un versehrtheit des Chips angenommen, und es wird eine vorgese hene Schutzfunktion ausgelöst. Diese Schutzfunktion kann z. B. das Löschen oder Überschreiben eines in dem Chip inte grierten Halbleiterspeichers umfassen.

Es folgt eine genauere Beschreibung eines Beispiels des er findungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Figur, die im Querschnitt ein Schema einer typischen für das Verfahren geeigneten Anordnung in einem Halbleiterchip zeigt.

In der Figur ist im Querschnitt eine Anordnung von Leiterflä chen 1 dargestellt. Das können z. B. die Leiterflächen zur Aufnahme einzelner Bildpunkte bei einem kapazitiv messenden elektronischen Fingerabdrucksensor sein. Nach außen hin sind diese Leiterflächen 1 mit einer Passivierungsschicht 2 abge deckt, die aus einem dielektrischen Material besteht. Diese Passivierungsschicht 2 ist dafür vorgesehen, einerseits einen elektrischen Kurzschluss der Leiterflächen 1 zu verhindern und andererseits eine ebene Auflagefläche z. B. für eine Fin gerbeere in einem definierten Abstand von den Leiterflächen zu bilden. Bei einer kapazitiven Erfassung des Fingerabdruc kes werden an den einzelnen Bildpunkten die Kapazitäten der jeweiligen Leiterflächen gegenüber den Stegen und Furchen der Hautoberfläche der Fingerbeere ermittelt. Wird die Passivie rungsschicht 2 wie in der Figur angedeutet in einem Bereich der Oberfläche entfernt, so dass eine Leiterfläche 10 nach außen vollständig freigelegt ist, ändert sich deren Kapazität gegenüber der äußeren Umgebung. Diese Kapazitätsänderung wird erfasst, so dass geeignete Schutzfunktionen ausgelöst werden können.

Die Leiterflächen 1 sind vorzugsweise auf einer geeigneten Schicht 3 aus einem dielektrischen Material aufgebracht, so dass sie gegen die in dem Halbleiterchip integrierten Bauele mente elektrisch isoliert sind. Diese elektronischen Bauele mente sind vorzugsweise in tiefer gelegenen Schichtlagen aus gebildet. Es handelt sich dabei um typische Bauelemente einer Ansteuer- oder Auswerteschaltung, die in der Regel n-Kanal- und p-Kanal-Transistoren einer logischen Schaltung umfasst, die z. B. im Rahmen eines CMOS-Prozesses hergestellt werden kann. Diese Bauelemente sind in einem Halbleiterkörper oder einer Halbleiterschichtstruktur hergestellt. Darüber befindet sich in der Regel eine zur Verdrahtung vorgesehene Schicht struktur, die mehrere zu Leiterbahnen strukturierte und mit Intermetalloxid voneinander isolierte Metallisierungsebenen aufweisen kann. Die oberste dieser Metallisierungsebenen bil det die Schicht der Leiterflächen 1.

In der Figur sind im Schema die elektrischen Verbindungen zur Bestimmung der Kapazitäten an den einzelnen Leiterflächen 1 eingezeichnet. Diese elektrischen Verbindungen und Schalter werden in dem Bauelement durch die Leiterbahnen der Metalli sierungsebenen, dazwischen angeordnete vertikale leitende Verbindungen, in dem Halbleitermaterial elektrisch leitend dotierte Bereiche und als Schalter vorgesehene Transistoren als elektronische Bauelemente gebildet. Die genaue Realisie rung dieser elektrischen Verbindungen und Schalter kann auf grund des in der Figur dargestellten Schemas in einer an sich bekannten Weise realisiert werden.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, dass die Kapazitätswerte zumindest einer ausgewählten Anzahl von Leiterflächen derart bestimmt werden können, dass eine je weils aktuell ermittelte Kapazität mit einem Sollwert oder einem üblicherweise vorhandenen oder anzunehmenden Kapazi tätswert verglichen werden kann. Wird eine über ein zu tole rierendes Maß hinausgehende Abweichung festgestellt, wird ei ne geeignete Schutzfunktion aktiviert. Die in der Figur ein gezeichneten Schalter . . . s_n-2, s_n-1, s_n, s_n+1, s_n+2, . . . sind hier dafür vorgesehen, die Leiterflächen 1 einzeln an einen Auswerteschalter zur Bestimmung der Kapazität anzuschließen. Zusätzlich sind hier weitere Schalter . . ., s'_n-2, s'_n-1, s'_n, s'_n+1, s'_n+2 . . . vorhanden, mit denen die Leiterflächen 1 hin tereinander in Reihe geschaltet werden können. Damit ist es möglich, den bei Anliegen einer vorgegebenen Potenzialdiffe renz durch die Leiterflächen fließenden Strom zu messen und so eine bisher bereits an sich bekannte Schutzfunktion eines so genannten Active Shield auszuführen.

Die Schutzfunktion kann z. B. darin bestehen, sicherheitsre levante Daten in einem Speicher (RAM, Random Access Memory; EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) zu löschen. Diese Schutzfunktion kann unmittelbar schaltungs technisch durch die auftretende überhöhte Kapazität hervorge rufen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, bei Durchführung von Messungen der Stromstärke I und Kapazität C doppelte Si cherheit gegen Angreifer zu bieten. Dieser Schutz ist direkt auf dem zu schützenden Halbleiterchip realisierbar. Es kann für die Kapazitätsmessung eine ohnehin vorhandene Elektrode verwendet werden, die auch Bestandteil eines in an sich be kannter Weise verwendeten Active Shield sein kann. Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Mittel bean spruchen extrem wenig zusätzliche Chipfläche. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft anwendbar bei allen Halbleiter chips mit integriertem Controller und allen Security-ICs. Es ist unabhängig von der jeweiligen Halbleitertechnologie ein setzbar.

Bezugszeichenliste

1

Leiterfläche

2

Passivierungsschicht

3

Schicht aus einem dielektrischen Material

10

Leiterfläche
s_n-2

, s_n-1

, s_n

, s_n+1

, s_n+2

Schalter
s'_n-2

, s'_n-1

, s'_n

, s'_n+1

, s'_n+2

weitere Schalter

Claims

1. Verfahren zum Schutz einer in einem Halbleiterchip inte grierten Schaltung, bei dem eine elektrische Kapazität, die eine Leiterfläche (1) gegen über der Umgebung besitzt, detektiert wird und bei einem Auf treten einer Änderung dieser Kapazität um mindestens einen vorgegebenen Wert eine Schutzfunktion ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleiterchip vorhandene Leiterflächen (1), die für eine kapazitive Erfassung eines Fingerabdrucks vorgesehen sind, in Reihe geschaltet werden und die Stärke eines durch die Leiterflächen (1) fließenden Stromes bei Anliegen einer vorgegebenen elektrischen Potenzialdifferenz gemessen wird, um eine Schutzfunktion auszulösen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schutzfunktion ein automatisches Löschen oder Überschrei ben eines in dem Halbleiterchip integrierten Speichers um fasst.