DE102022210715A1

DE102022210715A1 - Vorrichtung mit einer amorphen oder teilkristallinen oder kristallinen Schicht, ein Speicherbaustein, ein Verfahren zum Herstellen dieser Vorrichtung und des Speicherbausteins sowie die Verwendung der Vorrichtung und/oder des Speicherbausteins als Sicherheitsbauelement

Info

Publication number: DE102022210715A1
Application number: DE102022210715.2A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Lederer; Konrad Seidel; Timo Niehoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2024-04-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer amorphen oder teilkristallinen oder kristallinen Schicht, einen Speicherbaustein bestehend aus einer Vielzahl von diesen Vorrichtungen, ein Verfahren zum Herstellen dieser Vorrichtung und des Speicherbausteins sowie die Verwendung dieser Vorrichtung und bzw. oder des Speicherbausteins als Sicherheitsbauelement. Hierbei befindet sich eine aus einem paraelektrischen Werkstoff hergestellte Schicht in einem amorphen Zustand (1) oder einem teilkristallinen Zustand (2) oder einem ersten kristallinen Zustand (3) oder einem zweiten kristallinen Zustand (4). Die Zustände (1, 2, 3, 4) sind ineinander überführbar und der Übergang von dem amorphen Zustand (1) zu dem teilkristallinen Zustand (2) und den kristallinen Zuständen (3, 4) erfolgt durch eine durch das Anlegen eines lokal begrenzten elektrischen Wechselfeldes induzierte Kristallisation (5). Der amorphe Zustand (1), der teilkristallinen Zustand (2) und die kristallinen Zuständen (3, 4) werden durch ihre Kristallinität unterschieden. Zudem können der teilkristalline Zustand (2) der erste kristalline Zustand (3) und der zweite kristalline Zustand (4) anhand der Polarisation unterschieden werden. Diesen Zuständen können Informationen oder Verschlüsselungen zugeordnet werden, wobei bei einer Verschaltung von einer Vielzahl von Vorrichtungen ein Sicherheitsbaustein entsteht, welches in einem Sicherheitsbauelement eingesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer amorphen oder teilkristallinen oder kristallinen Schicht, einen Speicherbaustein bestehend aus einer Vielzahl von diesen Vorrichtungen, ein Verfahren zum Herstellen dieser Vorrichtung und des Speicherbausteins sowie die Verwendung dieser Vorrichtung und bzw. oder des Speicherbausteins als Sicherheitsbauelement.
Um sicherzustellen, dass an elektronischen Produkten keine unzulässigen Modifikationen vorgenommen wurden, ist es wünschenswert, verschlüsselte Identifikationen (IDs) oder verschlüsselte Betriebsprotokolle in den elektronischen Schaltkreisen unterzubringen. Relevanz haben diese verschlüsselten Identifikationen zum Beispiel in Bezug auf den Kilometerstand von Fahrzeugen, um Fälschungen und Betrug beim Weiterverkauf durch eine unzulässige Manipulation zu verhindern. Auch die Verifikation und Absicherung von Zahlungstransfers mittels Kreditkarte fallen in den Anwendungsbereich dieser Technologie.
Hierbei stellt sich jedoch zunehmend die Herausforderung, dass diese Sicherheitselemente entweder Software-seitig oder über Hardware Reverse Engineering umgangen werden können. Daher hat gerade das Themenfeld der Hardware-Obfuskation an Bedeutung gewonnen. Dennoch scheitert diese Sicherheitsmaßnahme meist daran, dass die Zustände von elektronischen Bauelementen relativ einfach ausgelesen und verändert werden können.
Die Nachteile, die sich bei der Verwendung von Datenbanken zur Lösung des skizzierten Problems ergeben, sind, dass durch die externe Speicherung von Informationen (z. B. Laufleistung/Verbrauch von digitalen Tachometern/Stromzählern), die systematische Manipulation sich noch leichter gestalten lässt. Weiterhin kann bei dieser Lösung auch die Datenschutzproblematik der Verbraucher bzw. Anwender nicht außer Acht gelassen werden. Daher müssen zusätzlich zu der eigentlichen externen Informationsspeicherung Lösungen für einen ausreichenden Verbraucherschutz entwickelt und angeboten werden. Weiterhin sind nicht nur die Geräte zur Übermittlung der Daten teuer, sondern auch die Abfrage der Daten kann ausschließlich mit entsprechenden Zertifikaten bei den jeweiligen Stellen gegen Zahlung einer Gebühr erfolgen. Außerdem bestehen große Informationslücken, da die erste Datenerfassung, wie zum Beispiel bei einer Hauptuntersuchung eines Autos, erst nach drei Jahren erfolgt. Hierbei ist allerdings in den meisten Fällen die Manipulation bereits geschehen und kann nicht mehr nachgewiesen werden. Auch die Übermittlung der Daten selbst birgt einige Unsicherheiten, da die Messwerte nicht auf ihre Richtigkeit überprüft werden können und so zum Beispiel durch den Einsatz von „Kilometerfiltern“ manipuliert werden können.
Eine sicherere Alternative bietet dabei der Einsatz von HSM-Chips (hardware security module). Hierbei werden die Informationen auf dem besagten Chip verschlüsselt gespeichert und die Entschlüsselung abgekoppelt von dem System durchgeführt wird. Allerdings ist auch hier nachteilig zu bewerten, dass diese Lösung sowohl teuer ist als auch verschiedenste Manipulationsmöglichkeiten existieren.
Die oben beschriebenen Herausforderungen werden vom Stand der Technik zum Beispiel in DE 10 2013 221 489 A1 versucht zu lösen. Hier werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung eines Zählerstandes beschrieben, wobei die Speichereinrichtung einen ersten Zählerspeicherbereich aufweist, in dem Informationen gespeichert werden könne. Eine Überschreibung der Informationen ist hierbei nur möglich, wenn der angegebene Zählerwert, mit dem die gespeicherten Informationen überschrieben werden sollen, größer ist als der im ersten Zählerspeicher gespeicherter Zählerwert. Auch bei dieser Lösung besteht der grundlegende Nachteil, dass die Zustände der elektronischen Speichereinrichtung relativ einfach ausgelesen werden kann. Auch bei der Integration in ein Hardware-Sicherheitsmodul können die oben bereits erläuterten Nachteile nicht umgangen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Speichern von Informationen, einen Speicherbaustein bestehend aus einer Vielzahl von Vorrichtungen, ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung bzw. des Speicherbausteins sowie die Verwendung als Sicherheitsbauelement bereitzustellen, wobei eine Manipulation und Auslesen der Zustände erheblich erschwert wird und gleichzeitig die Kosten für die Herstellung und den Betrieb gesenkt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung amorphen oder teilkristallinen oder kristallinen Schicht nach Anspruch 1, einem Speicherbaustein nach Anspruch 2, einem Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach Anspruch 5 und der Verwendung der Vorrichtung und bzw. oder des Speicherbausteins nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Vorrichtung weist eine amorphe oder teilkristalline oder kristalline Schicht auf, die aus einem paraelektrischen Werkstoff mit einer Schichtdicke von mindestens zwei kristallographischen Einheitszellen gebildet ist. Hierbei nimmt die Schicht einen amorphen Zustand oder einen teilkristallinen Zustand oder einen ersten kristallinen Zustand oder einen zweiten kristallinen Zustand an. Der teilkristalline Zustand sowie die kristallinen Zustände sind durch ein lokal begrenztes Wechselfeld induzierte Kristallisation ausgebildet. In der vorliegenden Erfindung wird unter einem lokal begrenzten elektrischen Wechselfeld ein elektrisches Feld verstanden, dass sich primär auf den Bereich der amorphen oder teilkristallinen oder kristallinen Schicht in der Vorrichtung beschränkt, außerhalb dieses Bereichs also deutlich schwächer als in dem Bereich selbst ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Feldstärke in dem Bereich mindestens doppelt so groß wie die Feldstärke außerhalb des Bereichs. Der amorphe Zustand, der teilkristalline Zustand sowie die kristallinen Zustände weisen unterschiedliche Kristallinitäten auf. Zudem sind die kristallinen Zustände in der Weise ausgebildet, dass diese ferroelektrischen Eigenschaften aufweisen und dabei ein erster kristalliner Zustand eine positive Polarisation und ein zweiter kristalliner Zustand eine negative Polarisation ausbildet. Der teilkristalline Zustand ist in der Weise ausgebildet, dass dieser teilweise ferroelektrische Eigenschaften mit einer teilweisen Polarisation aufweist. Weiterhin sind der amorphe Zustand, der teilkristalline Zustand sowie die kristallinen Zustände ineinander überführbar, wobei diesen Zuständen Informationen zugeordnet sind.
Durch den Einsatz einer aus einem paraelektrischem Werkstoff bestehenden Schicht, die entweder amorph, teilkristallin oder kristallin (positiv oder negativ polarisiert) ausgebildet ist, werden in Summe vier unterscheidbare Zustände erzeugt, in welchen die Vorrichtung ausgebildet werden kann. Dadurch ist es möglich, diesen Zuständen in einfacher Art und Weise Informationen zuzuordnen. Hierbei umfasst der Begriff der Information nicht nur Information als solche, sondern auch Informationen zu einer möglichen Verschlüsselung der Information. Durch die Verwendung einer einzelnen Schicht auf einer Oberfläche (z.B. eines Substrats), wird die Bauweise der Vorrichtung vereinfacht und somit der Betrieb der Vorrichtung einfacher und kostengünstiger gestaltet. Dadurch, dass die Informationen u.a. auch den polarisierten Zuständen der Schicht zugeordnet sind, wird die Manipulationssicherheit der Vorrichtung maßgeblich erhöht, da die ferroelektrische Polarisation und die Kristallinität (auch Kristallisationsgrad genannt) nicht ohne Weiteres ausgelesen werden kann.
Ein Speicherbaustein, der sich aus einer Vielzahl von Vorrichtungen zusammensetzt, ist in der Weise ausgebildet, dass die Vorrichtungen in einer Matrix angeordnet sind. Hierbei sind diese elektrisch durch eine Spalten- und Zeilenanordnung von elektrischen Leitern kontaktiert.
Durch die Anordnung der Vorrichtungen in einer Matrix mit Spalten- und Zeilenkontaktierung ist möglich, eine kompakte Bauweise des Speicherbausteins zu erreichen. Dadurch wird die Integration in bestehende elektrische Schaltung vereinfacht und kann einfach und kostengünstig umgesetzt werden. Da eine Vielzahl von Vorrichtungen eingesetzt wird, welche unterschiedliche Zustände der Schicht aufweisen, ist es möglich, die Informationen in mehreren Dimensionen zu speichern und zu verschlüsseln. Hierbei bezieht sich eine erste Dimension auf die Unterscheidung der Schichten auf Grundlage der Kristallinität und eine zweite Dimension auf die Unterscheidung auf Grundlage der Polarisation. Zudem können sich die teilkristallinen Zustände in der Vielzahl der Vorrichtungen untereinander in Bezug auf die Kristallinität (auch Kristallisationsgrad genannt) und die Polarisation unterscheiden. Da der Kristallisationsgrad k der teilkristallinen Zustände jeden Wert zwischen 0 und 1 annehmen kann, ändern sich damit auch die ferroelektrischen Eigenschaften in Bezug auf die Polarisation in Abhängigkeit von dem Kristallisationsgrad. Das bedeutet, je höher der Kristallisationsgrad des teilkristallinen Zustands ist, desto mehr Domänen (mit gleicher Polarisationsrichtung) existieren, die wiederum Einfluss auf die Polarisation haben. Daraus lässt sich ableiten, dass verschiedene teilkristalline Zustände mit verschiedenen Kristallinitäten untereinander anhand ihrer Polarisation unterschieden werden können. Weiterhin bedeutet dies, dass in dem Speicherbaustein eine Vielzahl von teilkristallinen Zuständen vorliegen kann, die alle die gleichen, alle verschiedene oder einzelne die gleichen und bzw. oder verschiedene Eigenschaften in Bezug auf die Kristallinität und die Polarisation haben können. Durch diese Mehrdimensionalität, die auch miteinander verknüpft werden können, wird die Manipulationssicherheit des Bauteils maßgeblich erhöht.
Die zugeordneten Informationen und bzw. oder Verschlüsselungen in den amorphen Zuständen, dem teilkristallinen Zuständen und den kristallinen Zuständen können in der Weise ausgebildet sein, dass diese durch elektrische Kapazitätsmessungen, elektrische Leckstrommessungen oder elektrische Verschiebestrommessungen auswertbar sind bzw. ausgewertet werden.
Die zugeordneten Informationen und bzw. oder Verschlüsselungen in den teilkristallinen Zuständen, den ersten kristallinen Zuständen und den zweiten kristallinen Zuständen können in der Weise ausgebildete sein, dass diese durch die Messung von elektrischen Verschiebeströmen und bzw. oder elektrischen Kapazitäten auswertbar sind.
Durch die Zuordnung der Informationen bzw. Verschlüsselungen zu den verschiedenen Zuständen ist es möglich, verschiedene Messverfahren zum Auslesen der Information zu verwenden. Durch die Tatsache, dass nun aber, wie oben beschrieben, die Zuordnung der Information und der Verschlüsselungen in mehreren Dimensionen geschieht, können diese Verfahren zwar von jedem Dritten angewendet werden, da zusätzlich die Kristallinität (auch Kristallisationsgrad genannten den Zuordnungsprozess integriert ist, ist es jedoch nicht möglich, die zugeordneten Informationen in den Vorrichtungen zu verändern oder zu manipulieren. Somit ist die Manipulationssicherheit im Vergleich zu dem Stand der Technik erheblich erhöht.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit einer amorphen, teilkristallinen oder kristallinen Schicht umfasst die folgenden Schritte. Zunächst wird die Schicht aus einem paraelektrischen Werkstoff mit einer Schichtdicke von mindestens zwei kristallographischen Einheitszellen auf einer Oberfläche eines Substrats bzw. einer anderen geeigneten Oberfläche abgeschieden oder als Ausgangsmaterial eine so bereits beschichtet Oberfläche verwendet. Anschließend wird die Schicht entweder in dem amorphen Zustand belassen oder durch ein lokal begrenztes elektrisches Wechselfeld in den teilkristallinen Zustand oder in einen der kristallinen Zustände umgewandelt. Hierbei weisen der teilkristalline Zustand teilweise ferroelektrisches Verhalten und die kristallinen Zustände ferroelektrisches Verhalten auf, wobei der teilkristalline Zustand mit einer teilweisen Polarisation, der erste kristalline Zustand mit einer positiven Polarisation und der zweite kristalline Zustand mit einer negativen Polarisation ausgebildet ist. Den so hergestellten Zuständen werden anschließend die Informationen zugewiesen, die beabsichtigt werden zu speichern.
Durch den einfachen Verfahrensablauf zur Fertigung der Vorrichtung wird der Aufwand der Produktion signifikant gesenkt, was zur Folge hat, dass das Verfahren in bereits bestehenden Prozesse einfach und kostenschonend integriert werden kann
Das verwendete lokal begrenzte elektrische Wechselfeld kann in der Weise angelegt werden, dass es zwischen einer positiven elektrischen Feldstärke und einer negativen elektrischen Feldstärke mit einer Amplitude größer der Koerzitivfeldstärke des Werkstoffs kontinuierlich wechselt.
Somit wird eine einfache, lokal begrenzte Kristallisation der amorphen Schicht erreicht. Dabei zeichnet sich dieses Vorgehen dadurch aus, dass der Kristallisationsgrad sehr präzise eingestellt werden kann, sodass auch teilkristalline Zustände realisiert werden können. Somit werden die Möglichkeiten geschaffen, mehrdimensionale Speicherzustände herzustellen, was die Manipulationssicherheit abermals erhöht.
Die Überführbarkeit zwischen dem amorphen Zustand, dem teilkristallinen Zustand, dem ersten kristallinen Zustande und dem zweiten kristallinen Zustand untereinander kann durch die Temperatur und durch das angelegte elektrische Wechselfeld beeinflusst werden.
Durch die Steuerung der Überführbarkeit durch die oben beschriebenen Parameter kann der Überführungsprozess effizient und wiederholbar für den jeweiligen paraelektrischen Werkstoff gestaltet werden. Somit bietet das Verfahren ein hohes Maß an Flexibilität zur individuellen Anpassung.
Das Verfahren ist dazu ausgebildet die bereits beschriebene Vorrichtung bzw. den beschriebenen Speicherbaustein herzustellen, d.h. die bereits beschriebene Vorrichtung kann mit dem erläuterten Verfahren hergestellt werden. Bei der Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung des Speicherbausteins mit einer Vielzahl von Vorrichtungen können dementsprechend eine Vielzahl von amorphen, teilkristallinen und kristallinen Zuständen hergestellt werden, wobei sich die teilkristallinen Zustände in ihren Eigenschaften Kristallinität und Polarisation nicht gleichen müssen.
Eine Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung und bzw. oder des zuvor beschriebenen Speicherbausteins als Sicherheitsbauelement umfasst die Schicht aus einem paraelektrischen Werkstoff mit einer Schichtdicke von mindestens zwei kristallographischen Einheitszellen, wobei die Schicht einen amorphen Zustand oder einen teilkristallinen Zustand oder einen ersten kristallinen Zustand oder einen zweiten kristallinen Zustand annimmt. Hierbei sind der teilkristalline Zustand und die kristallinen Zustände durch eine durch ein lokal begrenztes elektrisches Wechselfeld induzierte Kristallisation ausgebildet, wobei der amorphe Zustand, der teilkristalline Zustand und die kristallinen Zustände unterschiedliche Kristallinitäten aufweisen. Zudem weisen der teilkristalline Zustand teilweise ferroelektrische Eigenschaften und die kristallinen Zustände ferroelektrische Eigenschaften auf, wobei der teilkristalline Zustand eine teilweise Polarisation, der erste kristalline Zustand eine positive Polarisation und der zweite kristalline Zustand eine negative Polarisation ausbildet. Weiterhin sind der amorphe Zustand, der teilkristalline Zustand, der erste kristalline Zustand und der zweite kristalline Zustand ineinander überführbar und dem amorphen Zustand oder dem teilkristallinen Zustand oder den kristallinen Zuständen mit dem jeweiligen Polarisationszustand Informationen zugeordnet sind.
Bei der Verwendung des Speicherbausteins mit einer Vielzahl von Vorrichtungen als Sicherheitsbauelement können dementsprechend eine Vielzahl von amorphen, teilkristallinen und kristallinen Zuständen hergestellt werden, wobei sich die teilkristallinen Zustände in ihren Eigenschaften Kristallinität und Polarisation nicht gleichen müssen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1, 2 und 3 beschrieben. Wiederkehrendende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Umwandlung vom amorphen Zustand in den teilkristallinen bzw. in die kristallinen Zustände und
2 eine schematische Darstellung der Dimensionen, denen die verschiedenen Zustände zugeordnet sind und
3 zeigt einen exemplarischen schematischen Querschnitt durch eine NVSRAM-Zelle.

In 1 wird in einem schematischen Ablaufdiagramm die Umwandlung der amorphen paraelektrischen Schicht 1 über ein durch ein lokal begrenztes elektrisches Wechselfeld induzierte Kristallisation 5 in den teilkristallinen Zustand 2 oder den ersten kristallinen Zustand 3 oder den zweiten kristallinen Zustand 4 umgewandelt wird. Hierbei wird, bevor einer der beiden kristallinen Zustände 3, 4 erreicht ist zunächst der teilkristalline Zustand 2 durchlaufen.
Hierbei ist anzumerken, dass sich der amorphe, der teilkristalline und der kristalline Zustand über die Kristallinität (auch Kristallisationsgrad genannt), welche entweder über den Massenbruch (k = m_krist/m_ges) oder den Molenbruch (k = n_krist/n_ges) angegeben wird, abgrenzen lassen. In den angegebenen Formeln steht k für die Kristallinität (Kristallisationsgrad), m_krist für die Masse an kristallierten Bereichen, analog n_krist für die Stoffmenge der kristallierten Bereiche und m_ges bzw. n_ges für die Gesamtmasse bzw. Gesamtstoffmenge. Der amorphe Zustand ist hierbei über den Kristallisationsgrad k = 0 , der teilkristalline Zustand über 0 < k < 1 und der kristalline Zustand über k = 1 charakterisiert. Da wie eben beschrieben, der Kristallisationsgrad des teilkristallinen Zustands jeden Wert zwischen 0 und 1 annehmen kann, ändert sich damit auch die ferroelektrische Eigenschaft in Bezug auf die Polarisationseigenschaft in Abhängigkeit von dem Kristallisationsgrad. Das bedeutet, je höher der Kristallisationsgrad des teilkristallinen Zustands ist, desto mehr Domänen (mit gleicher Polarisationsrichtung) existieren, die wiederum Einfluss auf die Polarisationseigenschaften haben. Daraus lässt sich ableiten, dass verschiedene teilkristalline Zustände mit verschiedenen Kristallinitäten untereinander anhand ihrer Polarisation unterschieden werden können.
In diesem Ausführungsbeispiel kann als paraelektrischer Werkstoff HfO₂, ZrO₂ oder ein Mischoxid aus diesen verwendet werden. Typischerweise wird das Mischoxid Hf_0,5Zr_0,5O₂ in der Vorrichtung oder in dem Speicherbaustein eingesetzt.
Weiterhin kann die Schicht mit einem Dotierstoff dotiert sein, wobei typischerweise als Dotierstoff Si, Zr, La, Al, Gd, Y oder Sr verwendet werden.
Bei der Herstellung der teilkristallinen Schicht 2 und bzw. oder der kristallinen Schicht 3, 4 kann während des Kristallisationsvorgangs eine thermische Aktivierung durch Erhitzen der amorphen Schicht 1 erfolgen. Hierbei liegt die Aktivierungstemperatur um mindestens 60° unterhalb der Kristallisationstemperatur des paraelektrischen Werkstoffs.
In 2 sind schematisch die verschiedenen Zustände der Schicht 1, 2, 3, 4 in den mehreren Dimensionen 6, 7 sowie die jeweiligen Unterscheidungsmöglichkeiten zwischen den Zuständen 8, 9 dargestellt. Hierbei werden der amorphe Zustand 1, der teilkristalline Zustand 2 und die kristallinen Zustände 3, 4 (die als Gruppe mit dem Bezugszeichen 15 versehen sind) anhand von elektrischen Kapazitätsmessungen, elektrischen Leckstrommessungen oder elektrische Verschiebestrommessungen 8 unterschieden. Bei einer Leckstrommessung oder Leckstromanalyse hat ein amorphes Material einen niedrigeren Leckstrom. Zudem kann die Messung einfach mit einem Differenzverstärker und einer Referenzstromquelle realisiert werden. Bei einer Kapazitätsmessung ergibt sich eine Unterscheidung in der Ladecharakteristik bzw. Kapazität für amorphe bzw. (teil)kristalline Schichten. Bei einem ebenfalls mögliche Schalttests zur Unterscheidung (teil)kristalliner gegenüber amorphen Zuständen sind nur der teilkristallinen und der kristalline Zustand schaltbar und der Vergleich kann mittels Referenzzellen und Differenzverstärker analog zu FRAM-Konzepten (ferromagnetic random access memory) erfolgen. Ein Test auf Ferroelektrizität basiert auf der Tatsache, dass sich eine entsprechend aufgebaute Zelle im (teil)kristallinen Zustand ferroelektrisch verhält, was beim Polarisationswechsel zu höheren Verschiebeströmen führt, die im amorphen Zustand nicht auftreten, bzw. deren Höhe vom Kristallisationsgrad (der Kristallinität) abhängt. Gleichzeitig kann mit dieser Methode die Information (programmiert/gelöscht) im ferroelektrischen Zustand ausgelesen werden. Schaltungstechnisch erfolgt dies durch Komparatoren und Auswertung einer Restladung nach einem Umschaltvorgang auf den Bitleitungen. Der Vollständigkeit halber sei noch eine ungenauere und langsame Methode erwähnt, nämlich eine Auswertung bezüglich Retention. Hierbei gehen im amorphen Zustand allerdings gespeicherte Informationen recht schnell verloren.
Eine Unterscheidung zwischen einem teilkristallinen Zustand 2, dem ersten kristallinen Zustand 3 und dem zweiten kristallinen Zustand 4 wird anhand von Messungen des elektrischen Verschiebestroms 9 durchgeführt, der aufgrund eine Polarisationswechsels auftritt. Im Fall des kristallisierten Zustands lässt sich die Vorrichtung u.a. im FRAM-Modus bzw. im MFMIS-basierten (metal-ferroelectric-metal-insulator-semiconductor) ferroelektrischen Feldeffekttransistor als nichtflüchtiger Speicher betreiben. Aufgrund der hohen Kontrollierbarkeit des Kristallisationsverhaltens lässt sich auch weiterhin der teilkristalline Zustand 2 genau einstellen, sodass bis auf den Schalttest nicht nur binäre, sondern auch Multi-Bit bis hin zu analogen Operationen ermöglicht werden. Weiterhin werden die Unterscheidungen 8 zwischen dem amorphen 1, dem teilkristallinen 2 und den kristallinen Zuständen 3, 4 als eine erste Dimension 6 betrachtet. Die Unterscheidung 9 zwischen dem teilkristallinen Zustand 2, dem ersten kristallinen Zustand 3 und dem zweiten kristallinen Zustand 4 wird als zweite Dimension 7 bezeichnet. Durch diese Darstellung wird veranschaulicht, dass eine mehrdimensionale Zuordnung und Verschränkung von Informationen und Verschlüsselungen in einem Speicherbaustein und somit auch in einem Sicherheitsbauelement erreicht werden können, um so die Manipulationssicherheit zu erhöhen.

Den oben ausführlich beschriebenen Zustände 1, 2, 3, 4 werden in der nachfolgenden Tabelle nochmals klar die möglichen physikalischen Eigenschaften zugewiesen, die sie in der jeweiligen Ausbildung aufweisen:

Zustand	Paraelektrisch	Teilweise ferroelektrisch	Ferroelektrisch	Polarisation
Amorph 1	X
Teilkristallin 2		X		X (teilweise)
Kristallin			X	X
eins 3
Kristallin zwei 4			X	X

Weiterhin werden die Informationen und Verschlüsselung in dem ersten kristallinen Zustand 3 und dem zweiten kristallinen Zustand 4 den Polarisationszuständen des ferroelektrischen Materials zugeordnet. Hierbei ist typischerweise im ersten kristallinen Zustand 3 eine positive Polarisation und im zweiten kristallinen 4 Zustand eine negative Polarisation ausgebildet. Alternativ kann dem ersten kristallinen Zustand 3 eine negative Polarisation und dem zweiten kristallinen Zustand 4 eine positive Polarisation ausgebildet sein. Es ist ausschließlich entscheidend, dass sich die Polarisation des ersten kristallinen Zustands 3 und des zweiten kristallinen Zustands 4 voneinander unterscheiden. Zudem sind Zwischenzustände der Polarisation möglich, wodurch eine Multi-Bit bis analoge Funktionalität erreicht werden kann. Diese Zwischenzustände der Polarisation ergeben sich aus der Tatsache, dass der teilkristalline Zustand Kristallinitäten zwischen 0 und 1 annehmen kann (wie oben ausführlich beschrieben).
Die oben beschriebenen Unterscheidungen 8, 9 zwischen den Zuständen in den verschiedenen Dimensionen 6, 7 wird dadurch ermöglicht, dass ein Speicherbaustein bzw. Zelle mit einer Vielzahl von Vorrichtungen in einer Matrix in einer Zeilen- und Spaltenanordnung kontaktiert sind. In einem Ausführungsbeispiel neben der Vielzahl von Vorrichtungen aus einer Vielzahl von Vorladeschaltkreisen, einer Vielzahl von Leseverstärkern, einem Zeilendekoder, einem Spaltendekoder, einem Dateneingangspuffer, einem Datenausgangspuffer sowie einer Vielzahl von Input/Output-Gatterblöcken. Hierbei kann der Zeilendekoder über Wortleitungen (WL) mit der Vielzahl von Vorrichtungen sowie die Vielzahl von Vorladeschaltkreisen über Bitleitungen (BL) mit der Vielzahl von Vorrichtungen und der Vielzahl von Leseverstärkern verbunden sein. Zudem kann eine Verbindung des Dateneingangspuffers, der Vielzahl von Leseverstärkern, der Vielzahl von Input/Output-Gatterblöcken, welche mit dem Spaltendekoder verbunden sein können, und des Datenausgangspuffers vorgesehen sein. Beim Schreiben von Information in die Zelle ergibt sich, je nach vorherigem Zustand, folgendes Verhalten: 1) Die Zelle änderte die Polarisation: hoher Verschiebestrom und Entladung der Bitleitung oder 2) die Zelle bleibt gleich polarisiert: keine Änderung und nur geringer Strom und daher auch keine Entladung der Bitleitung. Mittels Komparator kann der Zustand der Bitleitung ausgewertet und so ein Rückschluss auf die gespeicherte Information getroffen werden. Nach dem Lesevorgang erfolgt typischerweise ein Rückschreiben der vorherigen Information, da der Lesevorgang destruktiv ist.
In 3 ist eine schematische Querschnittsskizze einer NVSRAM-Zelle (nonvolatile static random-access memory) dargestellt, in der die Vorrichtung funktionsfähig integriert ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird auf der Oberfläche eines Substrats 10 eine Schicht aus TiN 13 ausgebildet. Auf dieser ist eine HfO₂-Schicht 12 aufgebracht, die in dem amorphen Zustand 1 oder dem teilkristallinen Zustand 2 oder dem ersten kristallinen Zustand 3 oder dem zweiten kristallinen Zustand 4 ausgebildet ist. Über der HfO₂-Schicht 12 ist eine weitere TiN-Schicht 13 aufgebracht. Weiterhin ist dieser Schichtstapel über mit elektrisch leitfähigem Material 14 verfüllten Kavitäten 11 kontaktiert. In diesem Aufbau können dem Zustand der HfO₂-Schicht 12 Informationen bzw. Verschlüsselungen zugeordnet werden, welche entweder in der ersten Dimension 6 über die Messung von elektrischen Kapazitäten, elektrischen Leckströmen oder elektrische Verschiebeströmen, also über die erste Unterscheidung 8 oder über die Messung von elektrischen Verschiebeströmen in der zweiten Dimension 7, also über die zweite Unterscheidung 9, auswertbar sind.
Diese Art von Bauelementen werden typischerweise als FINK-Bauelemente bezeichnet (feldinduzierte Kristallisation). Hierbei sind FINK-Bauelemente dadurch gekennzeichnet, dass über eine durch elektrisches Feld induzierte Kristallisation das ferroelektrische Verhalten gezielt geändert werden kann und im Gegensatz zu Elektronen in Flash-Bauelementen die ferroelektrische Polarisation nicht ausgelesen werden kann.
Der Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften (Kristallinität und Polarisation der HfO₂-Schicht 12), die dem Zustand der HfO₂-Schicht 12 zugeordneten Informationen oder Verschlüsselung nicht zurückgesetzt werden kann, was eine Modifikation beispielsweise um den Zählerstand zurückzusetzen, unterbindet. Zudem ist dieses Bauelement von außen nicht ohne Weiteres auslesbar, da die zugeordneten Informationen u.a. an die Polarisation der HfO₂ Schicht 12 gebunden ist.
Durch die oben erwähnte mehrdimensionale Zuordnung in Dimension 6 und Dimension 7 kann zudem die Komplexität deutlich erhöht werden. Dies führt dazu, dass diese Technologie im Gegensatz zu Datenbanken und HSM-Chips eine deutliche erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Hacking und Manipulation aufweist.
Weiterhin basiert diese Technologie auf CMOS-kompatiblen (complementary metal-oxide-semiconductor) Materialien, welche bereits in der Mikroelektronik Industrie eingesetzt werden. Folglich lässt sich diese Technologie in stark skalierten Technologieknoten (z.B. 22 nm FD-SOI (fully depleted Silicon-on-Insulator)) integrieren, was einen Kostenvorteil (z.B. gegenüber HSM-Chips) mit sich bringt.
Zudem können diese FINK-basierten Schaltungen direkt bei der Produkt-Fertigung verbaut werden und beispielsweise auf eine Fahrzeugnummer initial eingestellt werden. Hierdurch ist eine lückenlose Kontrolle möglich und es werden keine externen Datenbanken benötigt, um die Abfrage zu verifizieren. Dies spiegelt vor allem einen großen Vorteil gegenüber Datenbanken wieder.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013221489 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung mit einer amorphen oder teilkristallinen oder kristallinen Schicht, wobei die Schicht aus einem paraelektrischen Werkstoff mit einer Schichtdicke von mindestens zwei kristallographischen Einheitszellen ausgebildet ist, wobei die Schicht einen amorphen Zustand (1) oder einen teilkristallinen Zustand (2) oder einen ersten kristallinen Zustand (3) oder einen zweiten kristallinen Zustand (4) annimmt, wobei der teilkristalline Zustand (2) und die kristallinen Zustände (3, 4) durch eine durch ein lokal begrenztes elektrisches Wechselfeld induzierte Kristallisation (5) ausgebildet sind, und der amorphe Zustand (1) und der teilkristalline Zustand (2) und die kristallinen Zustände (3, 4) unterschiedliche Kristallinitäten aufweisen, wobei der teilkristalline Zustand (2) teilweise ferroelektrische Eigenschaften und die kristallinen Zustände (3, 4) ferroelektrische Eigenschaften aufweisen, wobei der teilkristalline Zustand (2) eine teilweise Polarisation, der erste kristalline Zustand (3) eine positive Polarisation und der zweite kristalline Zustand (4) eine negative Polarisation ausbildet und der amorphe Zustand (1), der teilkristalline Zustand (2), der erste kristallinen Zustande (3) und der zweite kristalline Zustand (4) ineinander überführbar sind und dem amorphen Zustand (1) oder dem teilkristallinen Zustand (2) oder dem ersten kristallinen Zustand (3) oder dem zweiten kristallinen Zustand (3) Informationen zugeordnet sind.
Speicherbaustein mit einer Vorrichtungen nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Vorrichtungen nach Anspruch 1 in einer Matrix angeordnet sind und elektrisch in einer Zeilen- und Spaltenanordnung kontaktiert sind.
Speicherbaustein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Informationen und bzw. oder Verschlüsselungen in den amorphen Zuständen (1), den teilkristallinen Zuständen (2) und den kristallinen Zuständen (3, 4) in der Weise ausgebildete sind, dass diese durch elektrische Kapazitätsmessungen, elektrische Leckstrommessungen oder elektrische Verschiebestrommessungen auswertbar sind.
Speicherbaustein nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Informationen und bzw. oder Verschlüsselungen in den teilkristallinen Zuständen (2) und in den ersten kristallinen Zuständen (3) und den zweiten kristallinen Zuständen (4) in der Weise ausgebildet sind, dass diese durch die Messung von elektrischen Verschiebeströmen und/oder elektrischen Kapazitäten auswertbar sind.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus einem paraelektrischen Werkstoff mit einer Schichtdicke von mindestens zwei kristallographischen Einheitszellen auf einer Oberfläche eines Substrats abgeschieden ist oder abgeschieden wird, wobei die Schicht im amorphen Zustand (1) belassen oder in den teilkristallinen Zustand (2) oder den ersten kristallinen Zustand (3) oder den zweiten kristallinen Zustand (4) umgewandelt wird, wobei die Umwandlung der Schicht von dem amorphen Zustand (1) in den teilkristallinen Zustand (2) oder in die kristallinen Zustände (3,4) durch eine durch ein lokal begrenztes elektrisches Wechselfeld induzierte Kristallisation (5) stattfindet und der teilkristalline Zustand (2) teilweise ferroelektrische Eigenschaften und die kristallinen Zustände (3, 4) in der Weise hergestellt werden, dass sie ferroelektrische Eigenschaften aufweisen, wobei der teilkristalline Zustand (2) in der Weise hergestellt wird, dass eine teilweise Polarisation vorliegt, und der kristalline Zustand (3) in der Weise hergestellt wird, dass eine positive Polarisation vorliegt und der kristalline Zustand (4) in der Weise hergestellt wird, dass eine negative Polarisation vorliegt und dem amorphen Zustand (1) oder dem teilkristallinen Zustand (2) oder dem ersten kristallinen Zustand (3) oder dem zweiten kristallinen Zustand (3) Informationen zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lokal begrenzte elektrische Wechselfeld in der Weise angelegt ist, dass es zwischen einer positiven elektrischen Feldstärke und einer negativen elektrischen Feldstärke mit einer Amplitude größer der Koerzitivfeldstärke des Werkstoffs kontinuierlich wechselt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überführbarkeit zwischen dem amorphen Zustand (1), dem teilkristallinen Zustand (2), dem ersten kristallinen Zustanden (3) und dem zweiten kristallinen Zustand (3) untereinander durch die Temperatur und durch das angelegte elektrische Wechselfeld beeinflusst wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder eines Speicherbausteins nach einem der Ansprüche 2-4 als Sicherheitsbauelement, wobei die Schicht aus einem paraelektrischen Werkstoff mit einer Schichtdicke von mindestens zwei kristallographischen Einheitszellen ausgebildet ist, wobei die Schicht einen amorphen Zustand (1) oder einen teilkristallinen Zustand (2) oder einen ersten kristallinen Zustand (3) oder einen zweiten kristallinen Zustand (4) annimmt, wobei der teilkristalline Zustand (2) und die kristallinen Zustände (3, 4) durch eine durch ein lokal begrenztes elektrisches Wechselfeld induzierte Kristallisation (5) ausgebildet sind, wobei der amorphe Zustand (1), der teilkristalline Zustand (2) und die kristallinen Zustände (3, 4) unterschiedliche Kristallinitäten aufweisen und der teilkristalline Zustand (2) teilweise ferroelektrische Eigenschaften und die kristallinen Zustände (3, 4) ferroelektrische Eigenschaften aufweisen, wobei der teilkristalline Zustand (2) eine teilweise Polarisation, der kristalline Zustand (3) eine positive Polarisation und der kristalline Zustand (4) eine negative Polarisation ausbildet, und der amorphe Zustand (1), der teilkristalline Zustand (2), der erste kristallinen Zustande (3) und der zweite kristalline Zustand (4) in einander überführbar sind und dem amorphen Zustand (1) oder dem teilkristallinen Zustand (2) oder dem ersten kristallinen Zustand (3) oder dem zweiten kristallinen Zustand (3) Informationen zugeordnet sind.