DE102004009622A1 - Halbleiterbauelement mit einer CMOS-Schaltung - Google Patents

Abstract

Bei dem Halbleiterbauelement sind Bulk-Anschlüsse (9, 10) vorgesehen, über die ein Strom in der Sperrrichtung der Bulk-Dioden (11) zwischen dotierten Wannen (2) und der Grunddotierung des Halbleiterkörpers (1) festgestellt wird, um so bei Lichteinstrahlung eine Alarm- oder Schutzfunktion auslösen zu können.

Description

• Die in Halbleiterchips integrierten elektronischen Schaltungen können durch den Einfall von Licht oder radioaktiver Strahlung in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. An PN-Übergängen ruft das eingestrahlte Licht einen Fotoeffekt hervor, durch den Ladungsträgerpaare generiert werden, die bei einer in Sperrrichtung angelegten elektrischen Spannung einen Fotostrom hervorrufen. Das wird bei Fotodioden ausgenutzt, die als Lichtsensoren eingesetzt werden. Andererseits kann eine derartige Lichteinstrahlung auch wesentliche Teile der Schaltung in ihrer Funktion beeinträchtigen oder einen regulären Funktionsablauf verändern. Damit ist die Möglichkeit zu Manipulationen von Schaltungen eröffnet. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Schaltungen kann daher durch Einstrahlung von Licht oder radioaktiver Strahlung eine wesentliche Schutzfunktion der Schaltung, z. B. eine Authentifizierungsfunktion, außer Kraft gesetzt werden. Wenn das Licht auf bestimmte Bereich der Schaltung fokussiert wird, in denen die betreffende Authentifizierungsfunktion, z. B. ein Kryptoalgorithmus, implementiert ist, kann die ordnungsgemäße Überprüfung, ob die Schaltung durch einen Berechtigten genutzt wird, oder eine ähnliche Schutzfunktion kurzzeitig außer Kraft gesetzt werden. Es können auf diese Weise in dem Halbleiterchip vorhandene Speicherinhalte gelöscht oder verändert werden, oder es wird die Nutzung einer Chipkarte z. B. zum Geldtransfer freigegeben. Derartige, durch Lichteinstrahlung hervorgerufene Fehlfunktionen sind daher bei sicherheitsrelevanten Bausteinen, insbesondere im Anwendungsbereich von Chipkarten, unerwünscht. Es wird daher gefordert, dass die Schaltung eine derartige Störung selbst erkennt und in einen sicheren Betriebszustand übergeht.
• Zum Erkennen von Lichteinstrahlung zum Zweck der Manipulation können Fotodetektoren und lichtempfindliche Bauelemente in der Schaltung eingesetzt werden. Das hat jedoch den Nachteil, dass immer nur ein kleiner Bereich der Schaltung geschützt werden kann und dass außerdem eine Vielzahl zusätzlicher Bauelemente in der Schaltung integriert werden muss. Zusätzlich zu der Detektorschaltung und zu Schaltungskomponenten, die eine Eliminierung der durch den Lichteinfall hervorgerufenen Störung vorgesehen sind, müssen daher bei einer solchen Ausgestaltung der Schaltung eine Reihe von Detektorbauelementen eigens integriert werden. Daraus resultiert ein sehr großer Flächenbedarf auf dem Halbleiterchip. Gleichwohl bleibt ein vergleichsweise großer Bereich der Schaltung ungeschützt.
• Es wird daher erfindungsgemäß ein Halbleiterbauelement mit einer CMOS-Schaltung angegeben, mit dem ein wirksamer Schutz gegen Lichteinstrahlung und Einstrahlung radioaktiver Strahlung gewährleistet ist, ohne dass der Flächenbedarf durch zusätzliche Schaltungskomponenten wesentlich erhöht wird. Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Bei diesem Halbleiterbauelement wird ausgenutzt, dass bei CMOS-Schaltungen komplementäre Transistoren teils in einem mit einer Grunddotierung versehenen Halbleiterkörper und teils in einer darin ausgebildeten, entgegengesetzt dotierten Wanne angeordnet werden. Da der Halbleiterkörper und die vorhandenen Wannen jeweils für elektrische Leitfähigkeit zueinander entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen dotiert sind, befinden sich an den Grenzen zwischen den Wannen und dem Bereich der Grunddotierung des Halbleiterkörpers jeweils PN-Übergänge. Diese PN-Übergänge bilden Dioden, die wegen ihrer Anordnung in dem Halbleiterkörper als Bulk-Dioden bezeichnet werden. Ein Substratanschluss oder Anschlüsse an dotierten Wannen werden bisher allenfalls in Analogschaltungen schaltungstechnisch eingesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement sind solche Bulk-Dioden-Anschlüsse an dem Halbleiterkörper im Bereich der Grunddotierung und im Bereich der ausgebildeten Wannen jeweils vorgesehen, um einen in Sperrrichtung der betreffenden Dioden auftretenden Stromfluss detektieren zu können. Zu diesem Zweck sind in dem Halbleiterbauelement entsprechende Schaltungskomponenten vorgesehen, die einen auftretenden oder gegenüber vorhandenen Leckströmen erhöhten elektrischen Strom zwischen den Bulk-Dioden-Anschlüssen in der durch die Vorzeichen der Leitfähigkeitstypen bestimmten Sperrrichtung detektieren und gegebenenfalls eine Alarm- oder Schutzfunktion auslösen. Es sind daher nur zusätzliche Komponenten zur Messung des Stromes oder zum Vergleich eines auftretenden Stromes mit einem maximalen Sollwert erforderlich. Falls ein zu hoher Strom detektiert wird, der aus einer Einwirkung mit Licht oder radioaktiver Strahlung herrühren kann, wird zum Beispiel ein Alarmsignal ausgegeben oder ein Reset durchgeführt. Mit einem Reset werden gespeicherte Daten rückgesetzt auf einen Ausgangszustand, indem z. B. die vorhandenen Speicher gelöscht werden. Wenn durch eine Lichteinstrahlung z. B. ein zur Kontrolle implementierter Authentifizierungsalgorithmus, insbesondere ein Kryptoalgorithmus, gestört wird, kann die Anwendung einer von diesem Algorithmus abgesicherten Funktionalität des Halbleiterbauelementes unterbunden werden, bis der äußere Störeinfluss beseitigt ist. Auf diese Weise ist es möglich, zu verhindern, dass das Halbleiterbauelement, z. B. als Komponente einer Chipkarte, eine Benutzung ermöglicht, obwohl keine Authentifizierung des rechtmäßigen Nutzers vorgenommen wird. Die Alarm- oder Schutzfunktion der Schaltung kann an die betreffenden Anforderungen des sicherheitsrelevanten Halbleiterbauelementes angepasst werden.
• Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass auch bei einer sehr umfangreichen CMOS-Schaltung eine ausreichende Anzahl von dotierten Wannen vorhanden ist, um praktisch jeden Bereich der CMOS-Schaltung auf die beschriebene Art absichern zu können. Auf diese Art kann die Einwirkung ionisierender Strahlung, mit der Ladungsträgerpaare erzeugt werden, zuverlässig detektiert werden. Das Auftreten einer derartigen Strahlung, die in der Regel die Funktion der CMOS-Schaltung beeinträchtigt, kann daher allein durch die Strommessung festgestellt werden. In jedem Bereich der Schaltung, in dem zueinander komplementäre Transistoren vorhanden sind, also insbesondere in jedem Inverter oder Gatter, kann der betreffende Schaltungsteil durch eine einfache Strommessung überwacht werden. Da derartige Schaltungskomponenten üblicherweise in allen Bereichen der Schaltung vorhanden sind, kann so der gesamte Halbleiterchip überwacht und auf Fehlfunktionen durch ionisierende Strahlung kontrolliert werden.
• Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Halbleiterbauelements anhand der beigefügten 1 bis 3.
• Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bauelement im Querschnitt.
• Die 2 zeigt ein Schaltungsschema für die Anschlüsse der Bulk-Diode.
• Die 3 zeigt ein Schaltungsschema gemäß der 2 für ein weiteres Ausführungsbeispiel.
• Die 1 zeigt ein typisches CMOS-Bauelement im Querschnitt. Der Halbleiterkörper 1 ist mit einer Grunddotierung versehen, und zwar in dem in der 1 dargestellten Beispiel für p-Leitung. Darin sind durch Implantation von Dotierstoff dotierte Wannen 2 des entgegengesetzten Vorzeichens des Leitfähigkeitstyps, in diesem Beispiel also für n-Leitung, ausgebildet. Deren Grenzen zu der Grunddotierung bilden somit PN-Übergänge. In dem Beispiel der 1 ist in der Wanne 2 ein n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor angeordnet, während auf der rechten Seite in dem Bereich der Grunddotierung des Halbleiterkörpers 1 ein p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor dargestellt ist. Der NMOSFET besitzt einen Source-Bereich 3 mit einem darauf vorhandenen Source-Anschluss S, einen Drain-Bereich 4 mit einem darauf vorhandenen Drain-Anschluss D sowie eine Gate-Elektrode 7 mit einem zugehörigen Gate-Anschluss G über dem zwischen Source und Drain vorhandenen Kanal. Der PMOSFET besitzt entsprechend einen Source-Bereich 6 mit einem Source-Anschluss S, einen Drain-Bereich 5 mit einem Drain-Anschluss D sowie eine Gate-Elektrode 8 mit einem Gate-Anschluss G.
• Bei einer CMOS-Schaltung sind in der Regel eine große Anzahl von zueinander komplementären MOS-Feldeffekttransistoren integriert. Die komplementären Transistoren sind innerhalb bzw. außerhalb der dotierten Wannen angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse von Source, Drain und Gate werden zu Leiterbahnen geführt, die in einer oder mehreren strukturierten Metallisierungen, die als Verdrahtungsebenen vorgesehen sind, ausgebildet sind. Um den Strom durch die Bulk-Diode 11 in der Sperrrichtung messen zu können, befindet sich auf der dotierten Wanne 2 ein erster Bulk-Anschluss 9 und auf dem Halbleiterkörper 1 im Bereich dessen Grunddotierung ein zweiter Bulk-Anschluss 10.
• Die 2 zeigt ein Schaltungsschema, in dem der erste Bulk-Anschluss 9 und der zweite Bulk-Anschluss 10 mit der dazwischen vorhandenen Bulk-Diode 11 dargestellt sind. Die Stromquelle 15 ist dafür vorgesehen, einen Strom in der Sperrrichtung der Diode zu generieren. Eine Schaltungskomponente zur Strommessung 12 ist mit dem Schaltsymbol eines Amperemeters dargestellt. In einem weiteren, hier nur als Schema eingezeichneten Schaltungsteil, der im Fall eines von dem regulären Betrieb des Bauelementes abweichenden Stromes angesteuert wird, kann ein Eingangsschaltungsteil 13 vorgesehen sein, der z. B. den detektierten Strom mit einer Vorgabe eines maximalen Sollwertes vergleicht. Wenn dieser Sollwert überschritten wird, wird ein entsprechendes Signal an die eigentliche Schutzschaltung 14 ausgegeben, die daraufhin einen Vorgang auslöst, der die CMOS-Schaltung oder Teile davon abschaltet oder in einen Ausgangszustand zurückversetzt oder darin gespeicherte Daten löscht. Die ausgelöste Alarm- oder Schutzfunktion ist an die betreffenden Erfordernisse angepasst.
• Die 3 zeigt ein Schaltungsschema, in dem zwei mit unterbrochenen Linien umrahmte Schaltungsteile A und B, die zu zwei in dem Bauelement vorhandenen Bulk-Dioden 11 gehören, dargestellt sind. Jeder dieser Schaltungsteile A und B verfügt gemäß dem Schaltungsschema der 2 über einen ersten Bulk-Anschluss 9, einen zweiten Bulk-Anschluss 10, eine dazwischen vorhandene Bulk-Diode 11, eine Stromquelle 15 und eine Schaltungskomponente zur Strommessung 12. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Ströme, die gegebenenfalls in Sperrrichtung durch die Bulk-Dioden 11 fließen, in einem speziellen Eingangsschaltungsteil 13' mit einem darin implementierten Vergleicher miteinander verglichen. Das Differenzsignal dient als Kriterium für das Auslösen der Alarm- oder Schutzfunktion mittels der eigentlichen Schutzschaltung 14. Durch diese Art einer Differenzmessung der Ströme können die Auswirkungen stets vorhandener Sperrströme oder Leckströme besser eliminiert und damit die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit der Anordnung weiter verbessert werden.

1

Halbleiterkörper

2

dotierte Wanne

3

Source-Bereich

4

Drain-Bereich

5

Drain-Bereich

6

Source-Bereich

7

Gate-Elektrode

08

ate-Elektrode

9

erster Bulk-Anschluss

10

zweiter Bulk-Anschluss

11

Bulk-Diode

12

Schaltungskomponente zur Strommessung

13

Eingangsschaltungsteil

13'

spezielles Eingangsschaltungsteil

14

Schutzschaltung

15

Stromquelle

Claims (7)

1. Halbleiterbauelement mit einer CMOS-Schaltung mit einem Halbleiterkörper (1), der eine für einen ersten Leitfähigkeitstyp vorgesehene Grunddotierung aufweist, mindestens einer in dem Halbleiterkörper (1) angeordneten Wanne (2), die für einen zweiten Leitfähigkeitstyp zu der Grunddotierung entgegengesetzten Vorzeichens dotiert ist, und NMOS- und PMOS-Transistoren mit Anschlüssen (S, D, G), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Anschluss (9) an der Wanne (2) und ein elektrischer Anschluss (10) an dem Halbleiterkörper (1) im Bereich der Grunddotierung vorhanden sind und Schaltungskomponenten vorgesehen sind, die einen auftretenden oder erhöhten elektrischen Strom zwischen diesen Anschlüssen in einer durch die Vorzeichen der Leitfähigkeitstypen bestimmten Sperrrichtung detektieren und eine Alarm- oder Schutzfunktion auslösen.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem in der Wanne (2) eine Transistorstruktur angeordnet ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Mehrzahl dotierter Wannen (2) in dem Halbleiterkörper (1) vorhanden ist, die mit jeweiligen elektrischen Anschlüssen versehen sind, und Schaltungskomponenten vorgesehen sind, die einen auftretenden oder erhöhten elektrischen Strom zwischen einem dieser Anschlüsse der Wannen und dem Anschluss an der Grunddotierung in der durch die Vorzeichen der Leitfähigkeitstypen bestimmten Sperrrichtung detektieren.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, bei dem zu den Schaltungskomponenten zum Detektieren von jeweils zwischen einem Anschluss einer betreffenden Wanne und dem Anschluss an der Grunddotierung in der durch die Vorzeichen der Leitfähigkeitstypen bestimmten Sperrrichtung auftretenden Strömen ein Schaltungsteil (13', 14) vorhanden ist, in dem diese Ströme verglichen werden, um so ein Differenzsignal als Kriterium für das Auslösen der Alarm- oder Schutzfunktion zu ermitteln.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Alarm- oder Schutzfunktion gegen eine Manipulation einer Funktionalität des Halbleiterbauelementes mit eingestrahltem Licht oder radioaktiver Strahlung vorgesehen ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die CMOS-Schaltung eine Authentifizierungseinrichtung aufweist und die Alarm- oder Schutzfunktion dafür vorgesehen ist, einer Störung der Authentifizierungsfunktion mit einem Abschaltvorgang, einem Rücksetzvorgang oder einem Löschen gespeicherter Daten zu begegnen.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das für einen Einsatz in einer Chipkarte vorgesehen ist.