DE10204875C1

DE10204875C1 - IC-Chip mit Manipulationsschutz und Verfahren

Info

Publication number: DE10204875C1
Application number: DE2002104875
Authority: DE
Inventors: Johannes Luyken; Franz Hofmann; Domagoj Siprak; Ralf Brederlow; Franz Kreupl; Christian Paulus; Roland Thewes; Werner Weber; Astrid Elbe; Robert Neuhauser; Joerg Schepers
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2022-02-07

Abstract

Mit funktionellen molekularen Schichten zwischen Elektroden wird die Oberseite des IC-Chips mit einer Sicherung gegen Analyse oder missbräuchlichen Einsatz ausgestattet, die nach einer Manipulation nicht mehr in den Ausgangszustand rückversetzt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Vielzahl solcher Sicherungen vorhanden. Es kann mit molekularen Schichten ein Widerstandsnetzwerk (A, B) ausgebildet sein, in das an bestimmten Eingangsknoten (IN1, IN2, IN3) Eingangsspannungen (V¶in,1¶, V¶in,2¶, V¶in,3¶) eingespeist und an Ausgangsknoten (OUT1, OUT2, OUT3) Ausgangsspannungen abgegriffen und Komparatoren (15) zur Überprüfung zugeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen IC-Chip mit einer Sicherung gegen Analyse oder missbräuchlichen Einsatz und ein Verfahren zur Absicherung eines derartigen IC-Chips.

In elektrischen integrierten Schaltungen von IC-Chips mit Si cherheitsfunktion, z. B. im Chipkartenbereich, soll verhin dert werden, dass Unbefugte durch eine Analyse der integrier ten Schaltung die Funktion des Chips herausfinden und nach vollziehen können. Zu diesem Zweck werden derartige sicher heitsrelevante IC-Chips durch auf dem Chip aufgebrachte ge eignete Sicherungen abgesichert, die im Falle eines miss bräuchlichen Einsatzes die Schaltung unbrauchbar machen. Bis herige derartige elektrische Sicherungen sind in konventio neller Siliziumtechnologie ausgeführt. Die Sicherungen sind aus Materialien wie z. B. Metall oder Polysilizium ausgebil det und benötigen hohe Stromdichten zum Aktivieren der Siche rung, bei der in diesem Fall üblicherweise ein dafür vorgese henes Teil aufgetrennt wird bzw. durchschmilzt. Gegebenen falls sind bei einer geeigneten Analyse der integrierten Schaltung zerstörte Sicherungen auffindbar, so dass die Si cherungen überbrückt und damit die integrierte Schaltung wie der funktionsfähig gemacht werden kann.

In der Veröffentlichung von Collier et al., Science 285, S. 391 ff. (1999) ist beschrieben, dass molekulare Schichten aus Rotaxanen irreversibel von einem elektrisch leitfähigen Zustand in einen weniger leitfähigen Zustand geschaltet wer den können. Einzelne Moleküle in molekularen Schichten können durch Anlegen eines Stromes vergleichsweise geringer Strom dichte in einen anderen Redoxzustand versetzt werden, in dem das Molekül eine veränderte elektrische Leitfähigkeit zeigt. Diese Änderung der Leitfähigkeit kann in der Schicht ganzflä chig oder lokal begrenzt hervorgerufen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie ein IC-Chip gegen eine Analyse oder missbräuchlichen Einsatz ab gesichert werden kann, ohne dass die Sicherheitsmerkmale künstlich reproduziert werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem IC-Chip mit den Merkmalen des An spruches 1 bzw. mit dem Verfahren zur Absicherung eines IC- Chips mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Ausgestal tungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Durch die Verwendung von molekularen Strukturen bzw. funktio nellen molekularen Schichten ist es möglich, die Oberseite des IC-Chips mit einer Sicherung gegen Analyse oder miss bräuchlichen Einsatz auszustatten, die nach einer Manipulati on nicht mehr in den Ausgangszustand rückversetzt werden kann. Zur Realisierung der Sicherheitsstruktur wird vorzugs weise eine einfache Anordnung mindestens einer funktionellen molekularen Schicht zwischen Elektroden verwendet. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Vielzahl solcher Sicherun gen vorhanden, die in einer bestimmten Konfiguration program miert sind, z. B. mit einem kryptographischen Schlüssel, oder die eine eindeutige Identifikationsnummer eines IC-Chips speichern. Es kann mit molekularen Schichten insbesondere ein Widerstandsnetzwerk ausgebildet sein, in das an bestimmten Knoten Eingangsspannungen eingespeist werden, so dass sich an anderen Knoten des Widerstandsnetzwerkes definierte Ausgangs spannungen einstellen. Mit einem weiteren Schaltungsteil, der eine Mehrzahl von paarweise einander zugeordneten Komparato ren umfasst, kann festgestellt werden, ob diese Ausgangsspan nungen in den vorgesehenen Bereichen liegen. Falls das nicht der Fall ist, wird von einer Manipulation oder einem miss bräuchlichen Einsatz des IC-Chips ausgegangen. In diesem Fall können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, z. B. kann die integrierte Schaltung selbsttätig unbrauchbar ge macht werden.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des IC- Chips und eines zugehörigen Verfahrens zur Absicherung eines solchen Chips anhand der beigefügten Figuren.

Die Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine für die Sicherung ge eignete Schichtstruktur.

Die Fig. 2 zeigt eine schaltungstechnische Anordnung der Si cherungsstruktur.

Die Fig. 3 zeigt ein Schema für eine Sicherung des IC-Chips mittels eines Netzwerkes von molekularen Schichten.

In der Fig. 1 ist im Querschnitt eine einfache Anordnung für die Sicherung eines IC-Chips mit einer molekularen Schicht dargestellt. Auf einer Oberseite des IC-Chips 1 ist eine Wi derstandsschicht 3 als molekulare Schicht zwischen Elektroden 2 und 4 angeordnet. Als Moleküle der Widerstandsschicht 3 können beispielsweise Rotaxane verwendet werden. Die Schicht anordnung gemäß der Fig. 1 wird vorzugsweise auf einer mit einer integrierten Schaltung versehenen Oberseite des IC- Chips angebracht. Die obere Elektrode 4, die hier ganzflächig eingezeichnet ist, deckt den Chip 1 vorzugsweise nach oben ab. Die untere Elektrode 2 kann ein Teil der für die Verdrah tung der integrierten Schaltung vorgesehenen Metallisierungs ebenen sein. Falls die Elektrode 2 unterhalb der Verdrahtung der integrierten Schaltung angeordnet ist, kann sie z. B. auch als dotierter Bereich in Halbleitermaterial ausgebildet sein.

Mit den in der Widerstandsschicht 3 senkrecht eingezeichneten Widerstandssymbolen ist angedeutet, dass die Widerstands schicht 3 eine Vielzahl von lokal begrenzten Widerständen bildet, die im Wesentlichen durch die Lokalisierung der ein zelnen Moleküle gegeben sind. Diese Widerstände können lokal oder ganzflächig verändert werden, so dass eine zunächst vor handene gute elektrische Leitfähigkeit erkennbar verringert wird. Eine derartige Veränderung kann bereits durch einen vergleichsweise geringen Stromfluss herbeigeführt werden, der z. B. bei dem Versuch einer Analyse oder Manipulation der Schaltung auftreten kann.

Statt der in der Fig. 1 eingezeichneten großflächigen Elek troden 2, 4 können auch mehrere Elektroden geringerer Abmes sungen verwendet werden, so dass eine Änderung der Leitfähig keit der Widerstandsschicht 3 in unterschiedlichen Bereichen dieser Schicht gemessen werden kann. Die geringe Dicke von typisch 1 nm bis 2 nm der molekularen Schicht ist aus Sicher heitsaspekten von großem Vorteil, da es nicht möglich ist, die Elektroden von einer derart dünnen Schicht abzulösen, oh ne die Widerstandsschicht dauerhaft zu beschädigen.

In der Fig. 2 ist ein Schema einer einfachen Sicherungs schaltung unter Verwendung einer molekularen Schicht darge stellt. Die eigentliche Sicherungsstruktur 5 umfasst eine mo lekulare Schicht als Widerstandsschicht und mindestens zwei daran angebrachte Elektroden, die im leitfähigen Zustand der Widerstandsschicht miteinander elektrisch leitend verbunden sind. In der Fig. 2 sind zwei Spannungsquellen 6, 7 einge zeichnet. Die erste Spannungsquelle 6 kann z. B. ein Versor gungspotential V_DD sein. Die zweite Spannungsquelle 7 liefert eine Referenzspannung an einen Eingang eines Komparators 8.

Der Widerstand 9 bildet zusammen mit der Sicherungsstruktur 5 einen Spannungsteiler derart, dass im leitfähigen Zustand der Sicherungsstruktur 5 die am Knoten 10 abgegriffene Eingangs spannung am Ausgang des Komparators die Ausgangsspannung V_out liefert, die größer ist als die von der ersten Spannungsquel le 6 bereitgestellte Spannung V_DD (V_out < V_DD). Wenn die Leitfä higkeit der Sicherungsstruktur 5 erheblich vermindert wird, liegt an dem betreffenden Eingang des Komparators über den Widerstand 9 im Wesentlichen die zweite Versorgungsspannung, hier Masse, an. Die Ausgangsspannung V_out fällt von einem po sitiven Wert auf null ab. Diese Veränderung der Ausgangsspan nung des Komparators 8 kann verwendet werden, um geeignete Sicherungsmaßnahmen der integrierten Schaltung einzuleiten. Die integrierte Schaltung kann z. B. außer Funktion gesetzt werden, wenn die Ausgangsspannung des Komparators unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

In der Fig. 3 ist ein Schaltungsschema für eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der eine Vielzahl solcher Sicherungen verwendet wird. Mit dieser Anordnung gemäß der Fig. 3 wird verhindert, dass die Sicherungsstruktur 5 ein fach kurzgeschlossen werden kann, um erneut einen Hochpegel am Ausgang des Komparators zu erzeugen. Es wird dazu ein Netzwerk aus Parallelschaltungen und Reihenschaltungen von Sicherungsstrukturen verwendet. In dem Beispiel der Fig. 3 ist ein solches Netzwerk A aus einer Parallelschaltung einer Vielzahl von Reihenschaltungen einzelner Sicherungsstrukturen in einem im Prinzip beliebig realisierbaren Netzwerk B einge baut. An den schwarz ausgefüllten Quadraten des eingezeichne ten Netzwerkes B ist so jeweils ein Exemplar 12 eines Netz werkes A vorhanden, bei dem die einander korrespondierenden Widerstände allerdings unterschiedliche Zustände aufweisen können. Die Exemplare 12 der Netzwerke A sind also im Allge meinen voneinander verschieden.

Die Ausgänge 14 der Netzwerke A bilden jeweils Knoten 13 des Netzwerkes B. Aus diesen Knoten 13 sind bestimmte Knoten als Eingangsknoten IN1, IN2, IN3 ausgewählt; an diese Eingangs knoten werden von Spannungsquellen 11 geeignet bereitgestell te Eingangsspannungen V_in,1, V_in,2, V_in,3 angeschlossen. Nachdem diese Eingangsspannungen in das Netzwerk B eingespeist sind, stellen sich an anderen Knoten des Netzwerkes B, den vorgese henen Ausgangsknoten OUT1, OUT2, OUT3, bestimmte Ausgangs spannungen ein. Diese Ausgangsspannungen werden von den Aus gangsknoten an Eingänge von Komparatoren 15 geführt.

Die Komparatoren 15 sind paarweise zusammengeschaltet. An die Eingänge eines solchen Paares 16 von Komparatoren werden zwei Referenzspannungen V_,ref,11, V_,ref,12 bzw. V_,ref,21, V_,ref,22 bzw. V_,ref,31, V_,ref,32 aus dafür vorgesehenen Spannungsquellen 17 an gelegt. Die beiden übrigen Eingänge des jeweiligen Paares 16 werden mit den betreffenden Ausgangsknoten OUT1, OUT2, OUT3 des Netzwerkes B verbunden. Auf diese Weise ist eine Vielzahl von Schaltungen gebildet, an deren Ausgängen jeweils ein ho her Spannungspegel liegt, wenn der Wert der jeweils zugehöri gen, von dem Netzwerk B zugeführten Spannung innerhalb eines durch die Referenzspannungen begrenzten Intervalles liegen. Wenn eine Mehrzahl solcher Paare von Komparatoren für eine Mehrzahl von Ausgangsknoten des Netzwerkes B verwendet wird, kann mit einem einfachen AND-Gatter ein Signal am Ausgang 18 erzeugt werden, das nur dann einen hohen Spannungswert auf weist, wenn die Werte aller an die Komparatorpaare angelegten Spannungen in den vorgesehenen Intervallen liegen. Ist das nicht der Fall, wird von einer Manipulation oder einer Fehl funktion des IC-Chips ausgegangen, so dass wieder entspre chende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.

Die Zerstörung einer oder mehrerer Sicherungsstrukturen die ser verschachtelten Netzwerke bringt das gesamte Netzwerk in einen anderen Zustand, der nicht durch einfaches Kurzschlie ßen der Sicherungsstrukturen so verändert werden kann, dass am Ausgang der Komparatoren 15 wieder das Signal eines feh lerfreien Zustands der Sicherung anliegt. Der unbeschädigte Zustand des IC-Chips ist nicht einfach dadurch simulierbar, dass Spannungsquellen an die betreffenden Eingänge der Paare 16 von Komparatoren gelegt werden, da die Werte dieser Span nungen an den Komparatoreingängen nicht lediglich eine einfa che Größer- oder Kleiner-Bedingung erfüllen müssen, sondern innerhalb eines nicht bekannten und für den betreffenden IC- Chip speziell vorgegebenen Intervalles liegen müssen. Solange die vorgegebenen Intervalle nicht für alle Paare von Kompara toren bekannt sind, kann kein Manipulationsversuch erfolg reich ausgeführt werden.

Bei anderen Ausführungsformen können die Netzwerke grundsätz lich beliebig unregelmäßig aus einzelnen Sicherungsstrukturen zusammengeschaltet sein. Je komplexer die Netzwerke sind, um so geringer ist die Möglichkeit, durch ein sukzessives Durch probieren verschiedener Spannungswerte die integrierte Schal tung schließlich doch noch in einen funktionsfähigen Zustand zu überführen. Nach einer Veränderung oder Beschädigung aus reichend komplex ausgestalteter Sicherungsstrukturen ist es daher praktisch ausgeschlossen, den IC-Chip in eine für ein Analyse oder einen missbräuchlichen Einsatz geeigneten Zu stand zu bringen.

Bezugszeichenliste

1

IC-Chip

2

Elektrode

3

Widerstandsschicht

4

Elektrode

5

Sicherungsstruktur

6

Spannungsquelle

7

Spannungsquelle

8

Komparator

9

Widerstand

10

Knoten

11

Spannungsquelle

12

Exemplar eines Netzwerkes A

13

Knoten des Netzwerkes B

14

Ausgang des Netzwerkes A

15

Komparator

16

Paar von Komparatoren

17

Spannungsquelle

18

Ausgang
A Netzwerk
B Netzwerk
IN1 Eingangsknoten
IN2 Eingangsknoten
IN3 Eingangsknoten
OUT1 Ausgangsknoten
OUT2 Ausgangsknoten
OUT3 Ausgangsknoten
V_DD

Versorgungspotential
V_in,1

Eingangsspannung
V_in,2

Eingangsspannung
V_in,3

Eingangsspannung
V_,ref,11

, V_,ref,12

Referenzspannungen
V_,ref,21

, V_,ref,22

Referenzspannungen
V_,ref,31

, V_,ref,32

Referenzspannungen

Claims

1. IC-Chip mit Sicherung gegen Analyse oder missbräuchlichen Einsatz, bei dem
eine Schichtstruktur mit vorgegebenen elektrischen Eigen schaften vorhanden ist und
ein Schaltungsteil vorhanden ist, mit dem diese Eigenschaften überprüft werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schichtstruktur eine Widerstandsschicht (3) und mindes tens zwei Elektroden (2, 4), die mit der Widerstandsschicht (3) verbunden sind, umfasst und
die Widerstandsschicht (3) eine molekulare Schicht ist, deren elektrischer Widerstand lokal und global mindestens aus einem Zustand in einen davon verschiedenen anderen Zustand geschal tet werden kann.

2. IC-Chip nach Anspruch 1, bei dem die molekulare Schicht mindestens ein Rotaxan umfasst und aus einem leitfähigen Zustand in einen weniger leitfähigen Zu stand geschaltet werden kann.

3. IC-Chip nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die molekulare Schicht oder mehrere molekulare Schichten mit einer Mehrzahl von Elektroden zu einem Netzwerk (A, B) von Widerständen verschaltet sind.

4. IC-Chip nach Anspruch 3, bei dem
Eingangsknoten (IN1, IN2, IN3) des Netzwerkes mit Spannungs quellen (11) verbunden sind,
Komparatoren (15) vorhanden sind, die einen Eingang besitzen, der jeweils mit einem Ausgangsknoten (OUT1, OUT2, OUT3) des Netzwerkes verbunden ist, und einen weiteren Eingang der mit einer Spannungsquelle (17) verbunden ist, und die paarweise so verbunden sind, dass an Ausgängen eines solchen Paares (16) von Komparatoren dann ein positiver Spannungswert an liegt, wenn der Wert einer elektrischen Spannung an einem be stimmten Ausgangsknoten des Netzwerkes in einem vorgegebenen Intervall liegt.

5. Verfahren zur Absicherung eines IC-Chips nach Anspruch 4, bei dem
mindestens eine Eingangsspannung (V_in,1, V_in,2, V_in,3) bereitge stellt wird,
an mindestens einen Eingangsknoten (IN1, IN2, IN3) des Netz werkes (A, B) eine solche Eingangsspannung angelegt wird,
von mindestens einem Ausgangsknoten (OUT1, OUT2, OUT3) des Netzwerkes eine sich dort einstellende Ausgangsspannung je einem Eingang der Komparatoren eines jeweiligen Paares (16) von Komparatoren zugeführt wird und
anhand der Ausgangsspannungen der Komparatoren (15) ein ord nungsgemäßer Einsatz der Schaltung des IC-Chips überprüft wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die verwendeten Eingangsspannungen (V_in,1, V_in,2, V_in,3) von der Schaltung des IC-Chips selbst erzeugt werden.