DE102012200168A1

DE102012200168A1 - Ladungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102012200168A1
Application number: DE102012200168A
Authority: DE
Inventors: Clemens Helfmeier; Christian Boit; Uwe Kerst
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-07-11
Also published as: US20140375303A1; WO2013102660A1; US9945891B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladungsmesseinrichtung (1, 1', 1'', 1'''), ein Verfahren zur Ladungsmessung sowie eine Verwendung der Ladungsmesseinrichtung (1, 1', 1'', 1''') zum Detektieren insbesondere von Angriffen mit fokussierten Ionenstrahlen auf integrierte Halbleiterschaltungen. Die Ladungsmesseinrichtung (1, 1', 1'', 1''') umfasst einen Kondensator (2) mit einem Pol (3) und einem weiteren Pol (4); einen Feldeffekt-Transistor (5), welcher einen Source-Anschluss (6), einen Drain-Anschluss (7) und einen Gate-Anschluss (8) umfasst, sowie eine Ladungssammelungseinrichtung (9), die gemeinsam in einer integrierten Halbleiterschaltung gefertigt sind, wobei der eine Pol (3) des Kondensators (2) leitend mit der Ladungssammelungseinrichtung (9) und dem Gate-Anschluss (8) des Feldeffekt-Transistors (5) verbunden ist, und der eine Pol (3) des Kondensators (2), der Gate-Anschluss (8) und die Ladungssammelungseinrichtung (9) alle gegenüber weiteren Schaltungselementen der integrierten Halbleiterschaltung isoliert sind. Das Betreiben der Ladungsmesseinrichtung (1, 1', 1'', 1''') erfolgt in der Weise, dass an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) eine Spannung (10) gelegt wird und durch den Feldeffekt-Transistor (5) ein Drain-Source-Strom (11) fließt und eine Beziehung zwischen der Spannung (10) an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) und dem Drain-Source-Strom (11) ermittelt wird. Ein Vergleichen der ermittelten Beziehung mit einer zuvor ermittelten oder errechneten Referenzbeziehung zwischen der an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) anliegenden Spannung (10) und dem Drain-Source-Strom (11) ermöglicht ein Ableiten der Ladungsmengenänderung, die über die Ladungssammelungseinrichtung (9) in den Kondensator (2) eingespeichert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen kleiner Ladungsmengen sowie ein entsprechendes Messverfahren. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Ladungsmesseinrichtung und eines solchen Messverfahrens zur Erkennung einer Einwirkung auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem Strahl geladener Teilchen oder einem elektrischen Feld hoher Feldstärke. Insbesondere kann eine solche Vorrichtung zum Erkennen eines so genannten Fokussierten-Ionenstrahl-Angriffs (focused ion beam attack oder auch kurz FIB-Angriff) genutzt werden.
Die präzise Messung kleinster Ladungsmengen ist für unterschiedliche Anwendungen, insbesondere im Forschungsbereich, beispielsweise in der Grundlagenforschung, der Halbleiterindustrie und Ähnlichem von besonderer Bedeutung. Darüber hinaus spielt die Messung von Ladungen eine wichtige Rolle, um einen Angriff auf eine Halbleiterschaltung zu erkennen, welche beispielsweise mittels eines FIB-Angriffs ausgespäht oder manipuliert werden soll. Die auf eine Halbleiterschaltung dabei auftreffenden Ionen übertragen auf die integrierte Halbleiterschaltung Ladung, welche zumindest während des stattfindenden Angriffs leicht messbar ist.
Da es üblich geworden ist, sicherheitsrelevante und sensible Daten, beispielsweise Bankdaten, Zugriffsinformationen, persönliche Informationen, kryptografische Schlüssel usw. in Mikrochips zu speichern, welches integrierte Halbleiterschaltungen sind, besteht auch ein zunehmendes Interesse, die in solchen Mikrochips gespeicherten Informationen auszuspähen oder zu manipulieren. Teilweise lassen sich diese Informationen auch aus einem Mikrochip auslesen oder manipulieren, welcher nicht im Betrieb ist. Zumindest lassen sich jedoch über einen FIB-Angriff Manipulationen an einem solchen Mikrochip vornehmen, die ein Ausspähen bei einer nachfolgenden Benutzung des Mikrochips ermöglichen oder zumindest erleichtern. Daher besteht ein Interesse, an einer integrierten Halbleiterschaltung feststellen zu können, ob diese einem FIB-Angriff ausgesetzt war oder ist.
Zum Teil werden die sensiblen Daten in einem solchen Mikrochip nur in kryptografisch verschlüsselter Information abgelegt. Um diese Information jedoch beim bestimmungsgemäßen Gebrauch nutzen zu können, werden diese Daten in der Regel während dieses bestimmungsgemäßen Gebrauchs in der integrierten Halbleiterschaltung entschlüsselt. Bei einem an geeigneter Stelle ansetzenden FIB-Angriff ist es daher im Betrieb mancher integrierter Halbleiterschaltungen möglich, die entschlüsselten Daten auszuspähen.
Aus der US 6,964,378 B2 ist ein Ansteuerschaltkreis bekannt, der in der Lage ist, kapazitiv eine Speicherzelle über eine Kapazität anzusteuern. Die Kapazität ist als zusätzliches Schaltungselement vorgesehen und isoliert eine Antenne von dem Ansteuerschaltkreis der Speicherzelle. Während eines FIB-Angriffs sammelt sich auf der Antenne Ladung. Die Kapazität verhindert, dass die Ladung abfließen kann, so dass eine Spannung erzeugt wird, die auf die Speicherzelle wirkt, welche somit eine Änderung des entsprechenden Ladungszustands erfährt, welches wiederum messbar ist. Die beschriebene Speicherzelle ist vorzugsweise als so genannte Floating-Gate-Zelle, EEPROM-Zelle (EEPROM = Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) oder Flash-Zelle ausgebildet. Diese aus der US 6,964,378 B2 bekannte Vorrichtung ermöglicht es somit, einen stattgefundenen FIB-Angriff nachzuweisen.
Der Erfindung liegt somit die technische Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einrichtung zur Messung von Ladungen sowie zum Detektieren eines FIB-Angriffs oder einer anderen Einwirkung eines Strahls geladener Teilchen oder eines elektrischen Feldes hoher Feldstärke auf eine integrierte Halbleiterschaltung sowie ein entsprechendes Messverfahren und eine Verwendung zu schaffen.
Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Messverfahren mit den Merkmalen des Patentspruchs 8 sowie eine Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in eine integrierte Halbleiterschaltung einen Feldeffekt-Transistor, einen Kondensator mit einem Pol und einem weiteren Pol sowie eine Ladungssammelungseinrichtung zu integrieren, wobei die Ladungssammelungseinrichtung, der eine Pol des Kondensators und der Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors miteinander leitend verbunden werden und gegenüber weiteren Schaltungsbestandteilen der integrierten Halbleiterschaltung so gut wie möglich isoliert sind. Wird die integrierte Halbleiterschaltung beispielsweise einem FIB-Angriff ausgesetzt, so sammeln sich hierdurch über die Ladungssammelungseinrichtung Ladungen auf dem Kondensator. Die auf dem Kondensator gespeicherte Ladung verändert die Beziehung zwischen einer als "Gate-Spannung" wirkenden Spannung, die an dem weiteren Pol des Kondensators angeschlossen wird, und dem sich einstellenden Drain-Source-Strom in dem Feldeffekt-Transistor, dessen Gate mit dem einem Pol des Kondensators, auf dem die Ladung gespeichert ist, verbunden ist. Da die Ladung in dem Kondensator gespeichert ist und aufgrund der Isolierung nicht abfließen kann, kann eine so ausgebildete Ladungsmesseinrichtung genutzt werden, um einen FIB-Angriff auch im Nachhinein über die in dem Kondensator gespeicherte Ladung festzustellen. Die Spannung, welche an dem weiteren Pol des Kondensators, welcher nicht mit dem Gate leitend verbunden ist, anzulegen ist, um einen vorgegebenen Drain-Source-Strom bei gegebenen Betriebsbedingungen zu erhalten, ist somit von der in dem Kondensator gespeicherten Ladungsmenge abhängig. Eine wie beschrieben aufgebaute integrierte Halbleiterschaltung, welche einen Kondensator umfasst, dessen einer Pol mit einer Ladungssammelungseinrichtung und einem Gate eines Feldeffekt-Transistors leitend verbunden und ansonsten vollständig von anderen Elementen der integrierten Halbleiterschaltung isoliert ist, stellt somit eine hochpräzise Ladungsmesseinrichtung dar.
Definitionen
Als integrierte Halbleiterschaltung wird hier jede elektronische Schaltung angesehen, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Diese kann unterschiedliche Strukturen und Schaltungselemente umfassen, die gegebenenfalls mittels unterschiedlicher Fertigungsprozesse oder Fertigungstechnologien hergestellt sind. Vorzugsweise sind alle Bestandteile der integrierten Halbleiterschaltung mittels derselben Technologie hergestellt. Beispielsweise kann es sich bei einer integrierten Halbleiterschaltung um einen oder mehrere integrierte Schaltkreise handeln, die in Metalloxidhalbleitertechnologie (MOS) oder Ähnlichem auf einem Substrat hergestellt sind.
Bevorzugte Ausführungsform
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ladungsmesseinrichtung einen Kondensator mit einem Pol und einem weiteren Pol; einen Feldeffekt-Transistor, welcher einen Source-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Gate-Anschluss umfasst, sowie eine Ladungssammelungseinrichtung, die gemeinsam in einer integrierten Halbleiterschaltung gefertigt sind, wobei der eine Pol des Kondensators leitend mit der Ladungssammelungseinrichtung und dem Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors verbunden ist, und der eine Pol des Kondensators, der Gate-Anschluss und die Ladungssammelungseinrichtung alle gegenüber weiteren Schaltungselementen isoliert sind. Ein Verfahren zum Messen einer Ladungsmenge mit Hilfe einer integrierten Halbleiterschaltung, welche eine Ladungsmesseinrichtung umfasst, wobei die Ladungsmesseinrichtung einen Kondensator mit einem Pol und einem weiteren Pol, einen Feldeffekt-Transistor, welcher einen Source-Anschluss, einen Drain-Anschluss und einen Gate-Anschluss umfasst, sowie eine Ladungssammelungseinrichtung umfasst, wobei der eine Pol des Kondensators leitend mit der Ladungssammelungseinrichtung und dem Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors verbunden ist, und der eine Pol des Kondensators, der Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors und die Ladungssammlungseinrichtung alle gegenüber weiteren Schaltungselementen isoliert sind, umfasst die Schritte: Betreiben der Ladungsmesseinrichtung in der Weise, dass an dem weiteren Pol des Kondensators eine Spannung anliegt und durch den Feldeffekt-Transistor ein Drain-Source-Strom fließt, und Ermitteln einer Beziehung zwischen der Spannung an dem weiteren Pol des Kondensators und dem Drain-Source-Strom, Vergleichen der ermittelten Beziehung mit einer zuvor ermittelten oder errechneten Referenzbeziehung zwischen der an dem weiteren Pol des Kondensators anliegenden Spannung und dem Drain-Source-Strom und Ableiten der Ladungsmengenänderung, die über die Ladungssammelungseinrichtung in den Kondensator gespeichert ist.
Betrachtet man den Kondensator mit der darauf gespeicherten Ladung als eine Konstantspannungsquelle, so verändert diese durch die Ladung des Kondensators verursachte Spannung jene Spannung, die über den weiteren Kondensatoranschluss angelegt werden muss, um in dem Feldeffekt-Transistor einen vorbestimmten Drain-Source-Strom zu erzeugen.
Eine geeignete Verwendung der Ladungsmesseinrichtung sieht die Nutzung der Ladungsmesseinrichtung zum Erkennen eines Angriffs mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB-Angriffs) auf die integrierte Halbleiterschaltung vor, bei der eine Änderung der Beziehung zwischen der über den weiteren Pol des Kondensators eingekoppelten „Gate-Spannung“ und des Drain-Source-Stroms ausgewertet wird, und hieraus eine gegebenenfalls vorliegende Änderung eines Ladungszustands des Kondensators gegenüber einem Referenzzustand abgeleitet wird und eine so ermittelte Ladungsänderung als erfolgter Angriff mit einem Strahl geladener Teilchen (z.B. FIB-Angriff) oder einem elektrischen Feld hoher Feldstärke erkannt wird.
Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren eignen sich somit, Ladungen im Attoamperesekundenbereich präzise zu vermessen. Die Ladungsmesseinrichtung kann vorteilhaft, wie angegeben, zum Erfassen gegenwärtiger oder in der Vergangenheit erfolgter Angriffe (z.B. FIB-Angriffe) eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es jedoch auch möglich, über die Ladungssammelungseinrichtung Ladungen in anderen Situationen aufzunehmen und präzise zu vermessen. Wichtig ist auch in dem Fall, dass die Ladungssammelungseinrichtung, die mit dem einen Pol des Kondensators und dem Gate des Feldeffekt-Transistors leitend verbunden ist, isoliert ist, so dass darauf gesammelte Ladungen nur auf den Kondensator und nicht anderweitig abfließen können. Es versteht sich, dass bei der Ladungsaufnahme gegebenenfalls kurzfristig eine leitende Verbindung zu einem anderen, Ladungen tragenden Element ausgebildet werden kann. Ebenso ist es jedoch möglich, Ladungen in Form von Spiegelladungen auf der beispielsweise als Antenne ausgebildeten Ladungssammelungseinrichtung temporär zu erzeugen, was ebenfalls zu einer temporären Ladung des Kondensators führt. Die Ladungseinspeicherung in den Kondensator bewirkt erneut eine Änderung der an dem weiteren Anschluss des Kondensators benötigten Spannung, die als "Gate-Spannung" für den Feldeffekt-Transistor benötigt wird, um einen vorgegebenen Drain-Source-Strom zu erreichen.
Für eine Detektion eines FIB-Angriffs ist es vorteilhaft, die Ladungssammelungseinrichtung als Antennenstruktur in der integrierten Halbleiterschaltung auszubilden. Die Ladungssammlungseinrichtung ist somit beispielsweise als leitende Fläche benachbart zu einer Oberfläche der integrierten Halbleiterschaltung, jedoch im Innern des Zwischenschichtdielektrikums (inter level dielectric) angeordnet.
Bei einer einfachen Ausführungsform sind der weitere Pol des Kondensators, der Drain-Anschluss und der Source-Anschluss des Feldeffekt-Transistors auf Anschlüsse der integrierten Halbleiterschaltung geführt. Diese Anschlüsse können genutzt werden, um eine Treiberschaltung bzw. Messinstrumente zur Vervollständigung der Ladungsmesseinrichtung anzuschließen. Vereinfacht kann die so ausgeführte Ladungsmesseinrichtung, die in der integrierten Halbleiterschaltung realisiert ist, als ein Feldeffekt-Transistor angesehen werden, dessen Gate der weitere Pol des Kondensators darstellt, wobei die Schwellenspannung des Gates abhängig von der auf dem Kondensator gespeicherten Ladung ist.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht somit vor, dass als Beziehung zwischen der an dem weiteren Pol anliegenden Spannung und dem Drain-Source-Strom die Schwellenspannung des Feldeffekt-Transistors ermittelt wird. Hierzu kann beispielsweise eine Spannungsstromkennlinie aufgenommen werden, anhand derer sich die Schwellenspannung einfach ermitteln lässt. Hierbei wird anstelle der sonst üblichen Gate-Spannung die Spannung verwendet, die an dem weiteren Pol des Kondensators angelegt wird. Eine Weiterbildung der Ladungsmesseinrichtung sieht somit vor, dass der Feldeffekt-Transistor mit einer den Drain-Source-Strom messenden Strommesseinrichtung verbunden ist und der weitere Pol des Kondensators mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die ansteuerbar ist oder angesteuert wird, so dass in der Strommesseinrichtung ein Strom gemessen wird, so dass eine Beziehung zwischen der an dem weiteren Pol des Kondensators anliegenden Spannung und dem Drain-Source-Strom ermittelbar ist.
Es versteht sich, dass es ebenso ausreichend ist, eine Spannung zu ermitteln, welche an den weiteren Pol des Kondensators anzulegen ist, um einen vorbestimmten Drain-Source-Strom des Feldeffekt-Transistors bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen zu erzeugen. Eine Änderung dieser Spannung gegenüber einer Referenzspannung ist über die Kapazität des Kondensators unmittelbar mit der Ladung verknüpft, die auf dem Kondensator gespeichert ist. Somit führt beispielsweise jeder FIB-Angriff zu einer Ladungsänderung, die über eine Änderung der Spannung messbar ist, welche notwendig ist, um einen vorbestimmten Drain-Source-Strom zu realisieren.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die an dem weiteren Pol des Kondensators anliegende Spannung mittels eines Verstärkers aus dem durch den Feldeffekt-Transistor fließenden Drain-Source-Strom abzuleiten. Dies bedeutet, dass das Ausgangssignal des Verstärkers, die Spannung, die an dem weiteren Pol des Kondensators angelegt wird, über den Kondensator und den Feldeffekt-Transistor in den Verstärker zurückgekoppelt ist. Sorgt man nun dafür, dass der durch den Feldeffekt-Transistor fließende Drain-Source-Strom einen vorgegebenen Wert annimmt, so stellt sich an dem Pol des weiteren Kondensators eine Spannung ein, die abhängig von der auf dem Kondensator gespeicherten Ladung ist. Eine an dem Verstärkerausgang, der mit dem weiteren Pol gekoppelt ist, anliegende Spannung ist somit direkt ein Maß für die auf dem Kondensator gespeicherte Ladung, die über die Kapazität des Kondensators unmittelbar mit einer Spannung verknüpft ist. Da diese Kapazität aufgrund der Konstruktion der integrierten Halbleiterschaltung bekannt ist, lässt sich die Ladungsmenge bzw. eine Änderung der Ladungsmenge, die auf dem Kondensator gespeichert ist, durch die sich ergebende Differenz der Spannung an dem weiteren Pol des Kondensators auf einfache Weise ermitteln. Bei ausreichender Verstärkung des Verstärkers und einem Betrieb, bei dem der Verstärker nicht in Sättigung ist, ist die sich einstellende Spannung zur Erzeugung eines vorgegebenen Drain-Source-Stromes ausschließlich von der Kapazität und der gespeicherten Ladung abhängig.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Ladungsmesseinrichtung sieht somit vor, dass als die Spannungsquelle, die mit dem weiteren Pol des Kondensators verbunden ist, ein Verstärker vorgesehen ist, der die Spannung aus dem durch den Feldeffekt-Transistor fließenden Drain-Source-Strom ableitet.
Um einen konstanten vorgegebenen Stromfluss durch den Feldeffekt-Transistor zu erreichen, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Feldeffekt-Transistor in eine Treiberschaltung integriert ist, die aus einem vorgegebenen Strompegel oder vorgegebenen Spannungspegel im Zusammenwirken mit einem über den Kondensator und den Feldeffekt-Transistor rückgekoppelten Verstärker einen vorgegebenen Soll-Drain-Source-Strom bewirkt, so dass die an dem weiteren Pol anliegende Spannung im Vergleich zu einer Referenzspannung ein Maß für die Änderung der Ladung auf dem Kondensator bezogen auf die bei der Referenzspannungserfassung gespeicherte Ladung ist. Beispielsweise kann der Feldeffekt-Transistor als Last eines Stromspiegels betrieben werden, dessen Strom durch eine Konstantstromquelle festgelegt ist.
Bei einer Ausführungsform ist beispielsweise vorgesehen, dass der Feldeffekt-Transistor und ein Vergleichstransistor, die vorzugsweise gleichartig, d.h. angepasst (englisch „matched“), ausgebildet sind, als Lasten in den zwei Zweigen eines Stromspiegels angeordnet sind, wobei die Gate-Spannung des Vergleichstransistors aus dem Strom einer Konstantstromquelle abgeleitet ist und wobei der weitere Pol des Kondensators mit einem Ausgang eines Differenzverstärkers verbunden ist, dessen Eingänge mit Knotenpunkten in den zwei Stromspiegelzweigen verbunden sind. Die Knotenpunkte, mit denen die Eingänge des Differenzverstärkers verbunden sind, sind somit beispielsweise entweder jeweils die Source-Anschlüsse des Feldeffekt-Transistors und des Vergleichstransistors oder die Drain-Anschlüsse des Feldeffekt-Transistors und des Vergleichstransistors abhängig davon, ob der Stromspiegel auf der jeweiligen Source-Seite ausgebildet oder auf der Drain-Seite ausgebildet ist. Ist der Stromspiegel auf der Source-Seite ausgebildet, d.h. der jeweilige Source-Anschluss mit dem Transistor des Stromspiegels verbunden, so stellen die Source-Anschlüsse die Knotenpunkte für die Eingänge des Differenzverstärkers dar.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die Transistoren des Stromspiegels, der Vergleichstransistoren sowie die Differenzverstärkerschaltung alle in derselben integrierten Halbleiterschaltung und in demselben Fertigungsprozess wie der Feldeffekt-Transistor, die Kapazität und die Ladungssammelungseinrichtung ausgebildet werden bzw. sind.
Bei einer Ausführungsform ist der Vergleichstransistor selbst Bestandteil eines weiteren Stromspiegels, dessen Spiegeltransistor von einer Konstantstromquelle gespeist wird.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sollpegel (z.B. der Konstantstrom) in der integrierten Halbleiterschaltung über eine darin verbaute Schaltung erzeugt wird. Bei einer solchen Ausführungsform ist nur noch das Bereitstellen der geeigneten Betriebsspannung für die integrierte Halbleiterschaltung und das Messen der Spannung an dem weiteren Pol des Kondensators notwendig, um eine Ladungsänderung auf dem Kondensator zu messen. Wird eine solche Ladungsmesseinrichtung in eine integrierte Halbleiterschaltung integriert, in der eine weitere zusätzliche sicherheitsrelevante Schaltung realisiert ist, so kann der Spannungspegel, welcher an dem weiteren Pol des Kondensators in Betrieb mittels des Verstärkers erzeugt wird, benutzt werden, um eine Sicherheitsfunktionalität bereitzustellen oder nicht. Abhängig davon, ob eine Ladungsänderung gegenüber einem Referenzzustand eingetreten ist, die somit auf eine Manipulation beispielsweise durch einen FIB-Angriff hindeutet, wird die sicherheitsrelevante Funktion ausgeführt oder nicht ausgeführt. Beispielsweise kann der Spannungspegel eine Entschlüsselung von in der integrierten Halbleiterschaltung gespeicherten Informationen oder von in einem hiermit verbundenen Speicher gespeicherten Informationen freigeben oder sperren. Mit einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise verhindert werden, dass ein Mikrochip sicherheitsrelevante Daten für einen kryptografischen Verifikationsschritt entschlüsselt, wenn die entsprechende integrierte Halbleiterschaltung zuvor einem FIB-Angriff ausgesetzt gewesen ist und somit die Gefahr besteht, dass während des Entschlüsselns die sicherheitsrelevanten Daten unverschlüsselt abgegriffen werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ladungsmesseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine Ladungsmesseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 eine weitere Ausführungsform einer Ladungsmesseinrichtung; und
4 noch eine weitere Ausführungsform einer Ladungsmesseinrichtung.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Ladungsmesseinrichtung 1. Diese umfasst einen Kondensator 2 mit einem Pol 3 und einem weiteren Pol 4. Zusätzlich umfasst die Ladungsmesseinrichtung einen Feldeffekt-Transistor 5 mit einem Source-Anschluss 6, einem Drain-Anschluss 7 sowie einem Gate-Anschuss 8. Ferner umfasst die Ladungsmesseinrichtung 1 eine Ladungssammelungseinrichtung 9, welche beispielsweise als Antenne ausgebildet ist. Sowohl der Kondensator 2 als auch der Feldeffekt-Transistor 5 sowie die Ladungssammelungseinrichtung 9 sind gemeinsam in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet. Hierbei kann jede bekannte Fertigungstechnologie verwendet werden, die in der Lage ist, Feldeffekt-Transistoren, Kondensatoren und eine Ladungssammelungseinrichtung beispielsweise in Form einer metallischen Fläche auszubilden. Vorzugsweise werden die einzelnen Bestandteile, der Kondensator 2, der Feldeffekt-Transistor 5 und die Ladungssammelungseinrichtung 9, in einer MOS-Technologie (MOS = Metal Oxide Semiconductor) oder CMOS-Technologie (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) ausgeführt. Der Feldeffekt-Transistor wird beispielsweise als normal sperrender n-Typ Feldeffekt-Transistor auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet.
Der Kondensator 2 kann mittels einer so genannten PIP-Technologie oder einer MIM-Technologie oder zwischen zwei regulären Metallebenen oder als Transistor (Varaktor) ausgebildet sein. Hierbei sind die Kondensatorelektroden bei der PIP-Technologie aus Polysilizium hergestellte Strukturen durch einen Isolator, beispielsweise aus so genanntem Interpolyoxid, gegeneinander isoliert. Interpolyoxid ist ähnlich zu Siliziumdioxid.
Bei der MIM-Technologie werden die metallischen Strukturen durch einen Isolator getrennt. Die Elektroden können beispielsweise aus Titannitrid und der Isolator aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Ähnlichem hergestellt sein. Beliebige andere Technoligien können ebenfalls zur Ausbildung des Kondensators verwendet werden.
Bei der Verwendung von zwei regulären Metallebenen als Kondensator sind die Elektroden in zwei unterschiedlichen oder gleichen Metallebenen realisiert. Als Dielektrikum kommt dann das normale Zwischenmetalldielektrikum (inter metal dielectric) zum Einsatz. Ein Kondensator in einer Ebene lässt sich beispielsweise mittels ineinandergreifender fingerartiger Elektrodenstrukturen realisiern.
Bei der Verwendung eines Transistors wird das Bulk oder die Wanne als eine Elektrode verwendet und das aus Polysilizium hergestellte Gate als zweite Elektrode. Das Gateoxid übernimmt die Aufgabe des Dielektrikums. Bei der Verwendung eines Transistors als Kondensator ist die Polung des Kondensators entscheidend: nur das Gate ist hoch isoliert.
Die Ladungsmesseinrichtung 1 wird in der gemeinsam gefertigten integrierten Halbleiterschaltung so hergestellt, dass der eine Pol 3 des Kondensators 2, die Ladungssammelungseinrichtung 9 und der Gate-Anschluss 8 des Feldeffekt-Transistors 5 leitend miteinander verbunden sind und zugleich gegenüber sämtlichen weiteren Elementen der integrierten Halbleiterschaltung isoliert sind. Ein entscheidender Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass sämtliche Bestandteile der Ladungsmesseinrichtung 1 in dem normalen Fertigungsprozess einer integrierten Halbleiterschaltung hergestellt werden können, in welchen Feldeffekt-Transistoren, Kondensatoren und in der Regel auch elektrisch leitende Flächen oder Leiter, welche als Ladungssammlungseinrichtung dienen können, ausgebildet werden. Es sind keine weiteren Prozessschritte notwendig, wie dies beispielsweise zur Fertigung von Speicherzellen notwendig ist. Die Ladungsmesseinrichtung 1 kann somit in nahezu jede integrierte Schaltung ohne nennenswerten Zusatzaufwand eingebracht werden, die mittels einer herkömmlichen Technologie gefertigt wird.
Die Ladungssammelungseinrichtung 9 ist vorzugsweise als metallische Fläche ausgebildet, die in dem Zwischenschichtisolator nahe der Oberfläche der integrierten Halbleiterschaltung angeordnet ist. Um eine ausreichende Isolation zu erreichen, ist die Ladungssammelungseinrichtung 9 bei einer Reihe von Ausführungsformen vollständig von einem Isolator umgeben. Bei anderen Ausführungsformen, die beispielsweise für eine Anwendung im Vakuum gedacht sind, kann die Ladungssammelungseinrichtung 9 an die Oberfläche der integrierten Schaltung geführt sein, um Ladungen auf die Ladungssammelungseinrichtung aufbringen zu können.
Bei der in 1 gezeigten Ladungsmesseinrichtung können über die Ladungssammelungseinrichtung 9 Ladungen gesammelt werden, die dann in dem Kondensator 2 gespeichert werden. Da der eine Pol 3 (ebenso wie die Ladungssammelungseinrichtung 9 und der Gate-Anschluss 8 bzw. das zugehörige Gate 12 des Feldeffekt-Transistors 5) isoliert sind, kann die Ladung ohne äußere Einwirkung nicht "entweichen" und verbleibt auf dem Kondensator. Wird der Feldeffekt-Transistor 5 nun in einen Treiberschaltkreis integriert und der weitere Pol 4 des Kondensators 2 wie ein Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors 5 verschaltet, so zeigt der Feldeffekt-Transistor 5 abhängig von der in dem Kondensator 2 gespeicherten Ladung ein abweichendes Verhalten gegenüber einer Verschaltung, bei der unmittelbar der Gate-Anschluss 8 angesteuert würde. Im Betrieb ergibt sich somit eine Beziehung zwischen der an dem weiteren Pol 4 anliegenden Spannung U_out 10 und dem sich dazu einstellenden Drain-Source-Strom I_DS 11 des Feldeffekt-Transistors 5. Aus der Beziehung der an dem weiteren Pol 4 anliegenden Spannung U_out 10 und dem durch den Feldeffekt-Transistor 5 fließenden Drain-Source-Strom I_DS 11 lässt sich auf die in dem Kondensator 2 gespeicherte Ladung zurückschließen. In einem vereinfachten Bild kann man den Kondensator 2 und die darauf gespeicherte Ladung als Spannungsquelle ansehen, die die an dem weiteren Pol 4 anliegende Spannung U_out 10 erhöht oder erniedrigt, so dass beispielsweise die Schwellenspannung des Feldeffekt-Transistors 5, welche an den weiteren Pol 4 des Kondensators 2 anzulegen ist, von der Schwellenspannung, die an dem Gate-Anschluss 8 des Feldeffekt-Transistors 5 anzulegen wäre, um die Spannung abweicht, die die auf dem Kondensator gespeicherte Ladung aufgrund der Kapazität des Kondensators repräsentiert.
Zur Ermittlung der auf dem Kondensator 2 gespeicherten Ladung wird somit bei einer Ausführungsform der Feldeffekt-Transistor 5 so beschaltet, dass in diesem ein Stromfluss stattfindet. Der Drain-Source-Strom I_DS 11 wird in Beziehung zu der an dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2 anliegenden Spannung U_out 10 gesetzt. Über die Messung dieser Spannung U_out 10 und des Drain-Source-Stroms I_DS 11 lässt sich somit die Ladung ermitteln, die in dem Kondensator 2 gespeichert ist. Hierfür ist die Kenntnis der Kapazität des Kondensators 2 notwendig.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ladungsmesseinrichtung 1 mit anderen Schaltkreisen gemeinsam in einem Mikrochip ausgebildet, um beispielsweise als Sensor für einen FIB-Angriff zu dienen. Hierzu wird die Ladungssammelungseinrichtung 9 beispielsweise als metallische Fläche nahe einer Oberfläche des Mikrochips in der Zwischenschichtisolation ausgebildet. Selbst bei schwachen Ionenströmen, die zum Abrastern des Mikrochips genutzt werden, sammeln sich an dessen Oberfläche positive Ladungen. Um diese zu kompensieren, findet eine Ladungsverschiebung in der Weise statt, dass sich negative Ladungen auf der Ladungssammelungseinrichtung 9, die als Antenne dient, ansammeln. Durch diese Ladungsverschiebung tritt in dem Kondensator 2 und an dem Gate 12 eine Spannung auf. Selbst bei sehr niedrigen Ionenströmen sind die im Kondensator 2 und am Gate 12 auftretenden Spannungen in der Regel so hoch, dass diese oberhalb der Tunnelschwelle liegen, ab der einzelne Ladungsträger durch die Isolation des Gates 12 bzw. des Kondensators 2 tunneln können. Durch das Tunneln der Ladungen wird die am Gate 12 bzw. am Kondensator 2 anliegende Spannung verringert. Werden die an der Oberfläche des Mikrochips anhaftenden Ladungen neutralisiert, so fließen die Spiegelladungen von der Ladungssammelungseinrichtung 9 (der Antenne) wieder ab. Auf dem Kondensator 2 verbleiben jedoch die Ladungen, die in dem Kondensator 2 oder an dem Gate 12 getunnelt sind, so dass in dem Kondensator 2 eine Ladung gespeichert bleibt. Diese ist auch nach Abschluss des FIB-Angriffs jederzeit nachweisbar. Eine Ladungsänderung gegenüber einem Referenzzustand kann somit jederzeit festgestellt werden.
In der Regel wird es auch unmöglich sein, die durch einen solchen Tunnelvorgang auf den Kondensator übertragene Ladung durch das Aufbringen einer entgegengesetzten gleichgroßen Ladung auf dem Mikrochip über ein "Zurücktunneln" der Ladung zu kompensieren. Zwar kann ein Tunnelvorgang in der entgegengesetzten Richtung bewirkt werden, eine exakte Kompensation zu bewirken, dürfte jedoch praktisch unmöglich sein. Aufgrund der Isolation der Ladungssammelungseinrichtung 9, des einen Pols 3 des Kondensators 2 und des Gates 12 und des Gate-Anschlusses 8 kann eine unmittelbare Entladung nicht herbeigeführt werden. Somit ist ein solcher Angriff in jedem Fall auch nachträglich, auch wenn der Angriff erfolgte, während der Mikrochip nicht in Betrieb war, nachweisbar.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Ladungsmesseinrichtung 1' dargestellt. Gleiche technische Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und, sofern sie nicht abweichend beschrieben sind, identisch oder gleichartig ausgebildet, wie die in Bezug auf andere Figuren beschriebenen Merkmale und Bestandteile. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Source-Anschluss 6 des Feldeffekt-Transistors 5 mit einer Strommess- oder Stromregeleinrichtung 21 in Reihe geschaltet.
Unter einer Strommess-/Stromregeleinrichtung 21 wird hier eine Vorrichtung verstanden, die entweder einen durch diese hindurch fließenden Strom bestimmt, oder einen festgelegten Stromfluss durch diese hindurch herbeizuführen sucht.
Ferner weist die Ladungsmesseinrichtung 1' einen Verstärker 22 auf, dessen Ausgang 23 mit dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2 leitend verbunden ist. Abhängig von dem in der Strommess-/Stromregeleinrichtung 21 fließenden Drain-Source-Strom I_DS 11 wird die an dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2 anliegende Spannung mittels des Verstärkers 22 abgeleitet. Anders betrachtet ist der Verstärker über den Kondensator 2 und den Feldeffekt-Transistor 5 zurückgekoppelt. Wird die Strommess-/Stromregeleinrichtung 21 so betrieben, dass ein vorgegebener Drain-Source-Strom I_DS 11 durch den Feldeffekt-Transistor 5 fließt, so gibt die über den Verstärker 22 aus diesem Drain-Source-Strom I_DS 11 abgeleitete Spannung U_out 10 an dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2 die Beziehung zwischen der Spannung U_out 10 und dem Drain-Source-Strom I_DS 11 unmittelbar an. Somit ist U_out 10, die an dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2 anliegende Spannung, unmittelbar ein Maß für die auf dem Kondensator 2 gespeicherte Ladung. Dies gilt immer dann, wenn der Verstärker 22 nicht in Sättigung betrieben wird und dessen Verstärkung ausreichend groß ist, wie dies beispielsweise bei üblichen Operationsverstärkern der Fall ist. Die sich einstellende Spannung U_out 10 ist bei vorgegebenem Drain-Source-Strom I_DS 11 durch die Kapazität 2 und die darauf gespeicherte Ladung vorgegeben. In Bezug auf eine Referenzspannung U_out,Ref kann bei Kenntnis der Kapazität des Kondensators 2 die Ladung bzw. die Ladungsänderung gegenüber einem Referenzzustand errechnet werden, die auf dem Kondensator 2 gespeichert ist.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Ladungsmesseinrichtung 1'' schematisch gezeigt, die ähnlich zu der nach 2 ist. Die Ausführungsform nach 3 unterscheidet sich von der nach 2 dadurch, dass die Strommess-/Stromregeleinrichtung 21 nicht im Source-Zweig, sondern im Drain-Zweig der Schaltung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der Drain-Anschluss 7 mit der Strommess-/Stromregeleinrichtung 21 verbunden ist. Ansonsten ist die Wirkungsweise der Ladungsmesseinrichtung 1'' analog zu der nach 2.
Der Verstärker 22 und die Strommess-/Stromregeleinrichtung 21 können jeweils extern oder ganz oder teilweise in der Halbleiterschaltung ausgeführt sein, in der auch der Feldeffekt-Transistor 5, der Kondensator 2 und die Ladungssammelungseinrichtung 9 ausgebildet sind.
In 4 ist schematisch eine mögliche Beschaltung exemplarisch dargestellt. Der Source-Anschluss 6 des Feldeffekt-Transistors 5 der Ladungsmesseinrichtung ist mit Masse 31 verbunden. Der Gate-Anschuss 8 ist mit dem einen Pol 3 des Kondensators 2 sowie der als Antenne ausgebildeten Ladungssammelungseinrichtung 9 verbunden. Das Gate 12 des Feldeffekt-Transistors 5, der eine Pol 3 des Kondensators und die Ladungsmesseinrichtung 1 sind gegenüber anderen Bestandteilen der integrierten Schaltung isoliert.
Der Feldeffekt-Transistor 5 und ein gleich ausgebildeter, angepasster (englisch "matched") Vergleichstransistor 32 sind jeweils als Last in einem durch zwei als Spiegeltransistoren 33, 34 bezeichnete Feldeffekt-Transistoren gebildeten Stromspiegel 35 angeordnet. Gate-Anschlüsse 37, 38 der Spiegeltransistoren 33 und 34 befinden sich jeweils auf dem gleichen Potential, welches aus dem am Drain-Anschluss 39 des einen Spiegeltransistor 33 anliegenden Potentials abgeleitet ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Drain-Source-Strom I_DS1 41 durch den einen Spiegeltransistor 33 und den einen Zweig 43 des Stromspiegels 35 gleich dem Drain-Source-Strom I_DS2 42 durch den anderen Spiegeltransistor 34 und den anderen Zweig 44 ist.
Der Vergleichstransistor 32 ist Bestandteil eines weiteren Stromspiegels 45 gemeinsam mit einem hier als Einkoppeltransistor 46 bezeichneten Feldeffekt-Transistor. Ein Gate-Anschluss 47 des Vergleichstransistors 32 und ein Gate-Anschluss 48 des Einkoppeltransistors 46 sind miteinander leitend verbunden, wobei deren Potential von dem des Drain-Anschlusses 49 des Einkoppeltransistors 46 abgeleitet ist. Der Einkoppeltransistor 46 wird mit einem vorgegebenen Konstantstrom I₀ 50 gespeist. Hierdurch ist vorgegeben, dass auch durch den Vergleichstransistor 32, durch den der Spiegelstrom I_DS2 42 fließt, ein Strom mit derselben Größe wie der Konstantstrom I₀ fließt. Somit ist I_DS2 gleich I₀. Aufgrund des Stromspiegels 35 gilt dasselbe für den Spiegelstrom I_DS1 41, der über den Stromspiegel 35 identisch zu dem Spiegelstrom I_DS2 42 gehalten wird. Somit ist der Drain-Source-Strom I_DS 11, der durch den Feldeffekt-Transistor 5 fließt, durch den Konstantstrom I₀ festgelegt und bestimmt. Um diesen Stromfluss durch den Feldeffekt-Transistor 5 zu erreichen, ist es notwendig, dass ein entsprechendes Potential an den weiteren Pol 4 des Kondensators 2 angelegt wird, welches dann wie oben beschrieben gemeinsam mit der gegebenenfalls gespeicherten Ladung auf dem Kondensator 2 eine entsprechende Gate-Spannung am Gate-Anschluss 8 erzeugt.
Die Spannung U_out 10 an dem weiteren Pol 4 wird mittels eines beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildeten Verstärker 22 erzeugt, dessen Ausgang 23 mit dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2 verbunden ist. Der Verstärker 22 ist in dieser Ausführungsform als Differenzverstärker ausgeführt und wird durch die über dem Feldeffekt-Transistor 5 und dem Vergleichstransistor 32 abfallenden Spannungen an dem Knoten 52, welcher dem Drain-Anschluss 7 des Feldeffekt-Transistors 5 entspricht, und dem Knoten 53, der dem Drain-Anschluss 54 des Vergleichstransistors 32 entspricht, angesteuert. Ist der Transistor 32 zu dem Feldeffekt-Transistor 5 optimal angepasst, so fällt über beiden Transistoren dieselbe Spannung ab, wenn durch beide Transistoren derselbe Strom fließt. Dies wird über den Stromspiegel 35 herbeigeführt, sofern der Operationsverstärker eine geeignete Spannung an seinem Ausgang 23 erzeugt. Bei ausreichend großer Verstärkung des Verstärkers 22 und einem Betrieb, bei dem der Verstärker 22 nicht in Sättigung ist, stellt sich am Ausgang die geeignete Spannung U_out 10 ein, die nur von der Kapazität des Kondensators 2 und der darauf gespeicherten Ladung abhängig ist. Die Spannung U_out 10 an dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2, die über dem Widerstand 55 abfällt, ist ein Maß für die auf dem Kondensator 2 gespeicherte Ladung, wie oben bereits erläutert ist. Da ein Verstärker einen niederohmigen Ausgang zur Verfügung stellt, kann die Spannung U_out 10 gemessen werden, ohne die Schaltung nennenswert zu beeinflussen. Somit ist eine präzise Messung der Spannung U_out 10 und hierüber der auf dem Kondensator 2 gespeicherten Ladung möglich, wobei in die Berechung der exakten Ladung die Kapazität des Kondensators 2 eingeht.
Die gemäß 4 beschriebene Ausführungsform stellt eine beispielhafte Verschaltung dar. Auch der in der Schaltung verwendete Konstantstrom kann über geeignete Schaltkreise in der integrierten Schaltung ausgebildet werden, in der die anderen Elemente der Ladungsmesseinrichtung 1''' ausgebildet sind.
Die beschriebenen Ladungsmesseinrichtungen können in geeigneter Weise zum Erkennen eines FIB-Angriffs auf eine solche integrierte Schaltung verwendet werden, indem die als Antenne ausgebildete Ladungssammelungseinrichtung 9 an geeigneter Stelle nahe der Oberfläche, beispielsweise der Rückseite der integrierten Halbleiterschaltung angeordnet ist, d.h. oberhalb der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Bauelemente. Ebenso ist es möglich, den sich an dem weiteren Pol 4 einstellenden Spannungspegel in einer weiteren, nicht dargestellten Sicherheitsschaltung auszuwerten und beispielsweise eine Entschlüsselung kryptografisch verschlüsselter Daten nur dann vorzunehmen, wenn der sich im Betrieb einstellende Spannungspegel U_out 10 dem Referenzspannungspegel entspricht, der in der fertigen Ladungsmesseinrichtung 1''' vor einem Angriff gemessen wurde, entspricht. Dies bietet den Vorteil, dass beispielsweise nach einem FIB-Angriff, bei dem ein Knoten freigelegt wurde, an dem die entschlüsselten Daten abgegriffen werden könnten, dieser Angriff erkannt wird und eine Entschlüsselung unterbleibt, so dass aus dem manipulierten Mikrochip, welchen die Halbleiterschaltung darstellt, keine entschlüsselten Daten ausgelesen werden können. Die Beziehung zwischen der Spannung an dem weiteren Pol 4 des Kondensators 2 und dem Drain-Source-Strom I_DS 11 wird somit in der Sicherheitsschaltung (die nicht dargestellt ist) ausgewertet.
Es versteht sich für den Fachmann, dass hier nur beispielhafte Ausgestaltungen angegeben sind. Der Feldeffekt-Transistor, dessen Gate mit dem einen Pol des Kondensators und der Ladungssammelungseinrichtung verbunden ist, kann als n-leitender oder als p-leitender Transistor vom Verarmungstyp oder Anreicherungstyp ausgebildet sein. Die Ausgestaltung des Verstärkers ist hier nicht detaillierter beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch unterschiedliche Ausgestaltungen wohl bekannt. Ferner ist hier eine Stromregeleinrichtung beschrieben. Es können jedoch auch andere Stromregeleinrichtungen oder Strommesseinrichtungen verwendet werden, um den Drain-Source-Strom durch den Transistor zu messen bzw. auf ein vorgegebenes Niveau einzustellen, um die an dem weiteren Pol 4 anliegende Spannung hierzu in Beziehung zu setzen.
Bezugszeichenliste

1: Ladungsmesseinrichtung
2: Kondensator
3: ein Pol des Kondensators
4: weiterer Pol des Kondensators
5: Feldeffekt-Transistor
6: Source-Anschluss
7: Drain-Anschluss
8: Gate-Anschluss
9: Ladungssammelungseinrichtung
10: U_out
11: Drain-Source-Strom I_DS
12: Gate
21: Strommess-/Stromregeleinrichtung
22: Verstärker
23: Ausgang
31: Masse
32: Vergleichstransistor
33: Spiegeltransistor
34: Spiegeltransistor (anderer)
35: Stromspiegel
37: Gate-Anschluss des einen Spiegeltransistors (33)
38: Gate-Anschluss des anderen Spiegeltransistors (34)
39: Drain-Anschluss des einen Spiegeltransistors (33)
41: erster Drain-Source-Strom I_DS1
42: zweiter Drain-Source-Strom I_DS2
43: ein Zweig
44: ein anderer Zweig
45: weiterer Stromspiegel
46: Einkoppeltransistor
47: Gate-Anschluss des Vergleichstransistors (32)
48: Gate-Anschuss des Einkoppeltransistors (46)
49: Drain-Anschluss des Einkoppeltransistors (46)
50: Konstantstrom I₀
52: Knoten (gleich Drain-Anschluss 7 des Feldeffekt-Transistors 5)
53: Knoten (gleich Drain-Anschluss 54 Vergleichstransistors 32)
54: Drain-Anschluss Vergleichstransistor (32)
55: Widerstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6964378 B2 [0005]

Claims

Ladungsmesseinrichtung (1, 1’, 1’’, 1’’’) umfassend: einen Kondensator (2) mit einem Pol (3) und einem weiteren Pol (4); einen Feldeffekt-Transistor (5), welcher einen Source-Anschluss (6), einen Drain-Anschluss (7) und einen Gate-Anschluss (8) umfasst, sowie eine Ladungssammelungseinrichtung (9), die gemeinsam in einer integrierten Halbleiterschaltung gefertigt sind, wobei der eine Pol (3) des Kondensators (2) leitend mit der Ladungssammelungseinrichtung (9) und dem Gate-Anschluss (8) des Feldeffekt-Transistors verbunden ist, und der eine Pol (3) des Kondensators (2), der Gate-Anschluss (8) und die Ladungssammelungseinrichtung (9) alle gegenüber weiteren Schaltungselementen isoliert sind.
Ladungsmesseinrichtung (1, 1’, 1’’, 1’’’) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekt-Transistor (5) mit einer den Drain-Source-Strom (11) messenden Strommesseinrichtung oder einen den Drain-Source-Strom (11) festlegenden Stromregeleinrichtung verbunden ist und der weitere Pol (4) des Kondensators (2) mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die ansteuerbar ist oder angesteuert wird, so dass in der Strommesseinrichtung ein Strom gemessen wird oder durch die Stromregeleinrichtung ein Strom vorgegeben ist, so dass eine Beziehung zwischen der an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) anliegenden Spannung (10) und dem Drain-Source-Strom (11) ermittelbar ist.
Ladungsmesseinrichtung (1, 1’, 1’’, 1’’’) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle, die mit dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) verbunden ist, einen Verstärker (22) umfasst, der die Spannung (10) aus dem durch den Feldeffekt-Transistor (5) fließenden Drain-Source-Strom ableitet.
Ladungsmesseinrichtung (1, 1’, 1’’, 1’’’) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekt-Transistor (5) in eine Treiber-Schaltung integriert ist, die aus einem vorgegebenen Strompegel oder vorgegebenen Spannungspegel im Zusammenwirken mit dem über den Kondensator (2) und den Feldeffekt-Transistor (5) rückgekoppelten Verstärker (22), einen vorgegebenen Soll-Drain-Source-Strom (11) bewirkt, so dass die an dem weiteren Pol (4) anliegende Spannung (10) im Vergleich zu einer Referenzspannung ein Maß für die Änderung der Ladung auf dem Kondensator (2) bezogen auf den bei der Referenzspannungserfassung gespeicherten Ladung ist.
Ladungsmesseinrichtung (1, 1’, 1’’, 1’’’) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollpegel in der Treiberschaltung erzeugt wird.
Ladungsmesseinrichtung (1, 1’, 1’’, 1’’’) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (22) und die Treiberschaltung in der Halbleiterschaltung gemeinsam mit dem Feldeffekt-Transistor (5), dem Kondensator (2) und der Ladungssammelungseinrichtung (9) hergestellt sind.
Ladungsmesseinrichtung (1, 1’, 1’’, 1’’’) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Pol (4) des Kondensators (2) mit einer Sicherheitseinrichtung auf der integrierten Halbleiterschaltung gekoppelt ist, die ausgebildet ist, im Betrieb, bei dem die Spannung (10) an diesem weiteren Pol (4) mittels des über den Kondensator (2) und den Feldeffekt-Transistor (5) zurück gekoppelten Verstärkers (22) bereitgestellt ist, abhängig von dieser Spannung (10) eine Sicherheitsfunktion auszuführen oder nicht.
Verfahren zum Messen einer Ladungsmenge mit Hilfe einer integrierten Halbleiterschaltung, welche eine Ladungsmesseinrichtung (1, 1', 1'', 1''') umfasst, wobei die Ladungsmesseinrichtung (1, 1', 1'', 1'''): einen Kondensator (2) mit einem Pol (3) und einem weiteren Pol (4); einen Feldeffekt-Transistor (5), welcher einen Source-Anschluss (6), einen Drain-Anschluss (7) und einen Gate-Anschluss (8) umfasst, sowie eine Ladungssammelungseinrichtung (9) umfasst, wobei der eine Pol (3) des Kondensators (2) leitend mit der Ladungssammelungseinrichtung (9) und dem Gate-Anschluss (8) des Feldeffekt-Transistors (5) verbunden ist, und der eine Pol (3) des Kondensators (2), der Gate-Anschluss (8) des Feldeffekt-Transistors (5) und die Ladungssammelungseinrichtung (9) alle gegenüber weiteren Schaltungselementen isoliert sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, Betreiben der Ladungsmesseinrichtung (1, 1', 1'', 1''') in der Weise, dass an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) eine Spannung (10) anliegt und durch den Feldeffekt-Transistor (5) ein Drain-Source-Strom (11) fließt und Ermitteln einer Beziehung zwischen der Spannung (10) an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) und dem Drain-Source-Strom (11), Vergleichen des ermittelten Beziehung mit einer zuvor ermittelten oder errechneten Referenzbeziehung zwischen der an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) anliegenden Spannung (10) und dem Drain-Source-Strom (11) und Ableiten der Ladungsmengenänderung die über die Ladungssammelungseinrichtung (9) in den Kondensator (2) eingespeichert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem weiteren Pol (4) des Kondensators (2) anliegende Spannung mittels eines Verstärkers (22) aus dem durch den Feldeffekt-Transistor (5) fließenden Strom abgeleitet wird.
Verwendung der Ladungsmesseinrichtung oder des Verfahrens zum Messen einer Ladungsmenge nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Erkennen einer Einwirkung durch einen Strahl geladener Teilchen oder durch ein elektrisches Feld hoher Feldstärke auf die integrierte Halbleiterschaltung, indem eine Änderung der Beziehung zwischen der über den weiteren Pol (4) des Kondensators (2) eingekoppelten Spannung (10) und des Drain-Source-Strom (11) ausgewertet wird, und eine so ermittelte Ladungsänderung als erfolgte Einwirkung mittels eines Strahl geladener Teilchen oder Einwirkung mit einem elektrischen Feld hoher Feldstärke erkannt wird.