DE60224710T2

DE60224710T2 - Halbleiterbauelement, karte, verfahren zur initialisierung und zur prüfung ihrer authentizität und ihrer identität

Info

Publication number: DE60224710T2
Application number: DE60224710T
Authority: DE
Inventors: Petra E. De Jongh; Edwin Roks; Robertus A. Wolters; Hermanus L. Peek
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: WO2003046802A2; DE60224710D1; AU2002365497A8; KR20040060994A; WO2003046802A3; EP1451759A2; US7309907B2; CN1596470A; EP1451759B1; ATE384304T1; CN100382307C; JP4511182B2; JP2005510863A; US20050021993A1; AU2002365497A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, versehen mit einer Schaltung, umfassend ein aktives Element, wobei die Schaltung auf einer Seite eines Substrats vorhanden ist und mit einer Passivierungsstruktur bedeckt ist, wobei das Halbleiterbauelement weiterhin versehen ist mit einem ersten Sicherheitselement, das einen lokalen Bereich der Passivierungsstruktur umfasst und eine erste und eine zweite Elektrode und eine erste Impedanz aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine mit einem Halbleiterbauelement versehene Karte. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Initialisierung eines Halbleiterbauelements und ein Verfahren zur Prüfung der Authentizität eines Halbleiterbauelements und ein Verfahren zur Identifizierung eines Halbleiterbauelements.
Ein derartiges Halbleiterbauelement und eine derartige Karte sind aus der EP-A 300864 bekannt. Das erste Sicherheitselement des bekannten Bauelements ist ein Kondensator mit zwei Kondensatorelektroden, die durch die Passivierungsstruktur kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Das Bauelement umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von Sicherheitselementen. Bei der Prüfung der Authentizität des Bauelements wird eine gemessene Spannung mit einer berechneten Referenzspannung verglichen. Liegt eine Differenz vor, wird die Authentizität nicht anerkannt.
Ein Nachteil des bekannten Bauelements ist, dass die Sicherheitselemente umgangen werden können. Die Sicherheitselemente können durch andere Strukturen mit der gleichen Kapazität ersetzt werden, welche die darunter befindliche Schaltung nicht stören. Des Weiteren kann das Entfernen der Passivierungsstruktur und der Elektroden zum Betrachten der Schaltung nicht erkannt werden, wenn die Elektroden und die Passivierungsstruktur anschließend wieder aufgebracht werden.
Daher ist eine erste Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, bei dem ein Entfernen der Passivierungsstruktur anschließend erkannt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist durch ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 definiert.
Die erste Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Messmittel zum Messen eines tatsächlichen Werts der ersten Impedanz vorhanden sind und dass ein Speicher vorhanden ist, der ein erstes Speicherelement umfasst, sodass der tatsächliche Wert oder eine Ableitung davon als ein erster Referenzwert in dem ersten Speicherelement gespeichert werden kann. In dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement gibt es somit zwei Stellen, an denen ein und derselbe Wert verfügbar ist: der tatsächliche in dem Sicherheitselement und der gespeicherte in dem Speicherelement. Wenn der tatsächliche Wert nicht mehr im Wesentlichen gleich dem gespeicherten ersten Referenzwert ist, muss ein Reverse-Engineering-Angriff oder ein anderer Angriff mit dem gleichen Ziel erfolgt sein. Die Authentizität des Halbleiterbauelements wird dann nicht anerkannt.
Weitere Maßnahmen können implementiert werden, um sicherzustellen, dass es keinen Reverse-Engineering-Angriff gegeben hat, wenn der tatsächliche Wert im Wesentlichen gleich dem ersten Referenzwert ist. Eine derartige Maßnahme umfasst Mittel zum Messen, Speichern und Lesen eines zweiten tatsächlichen Werts des ersten Sicherheitselements bei einer zweiten Frequenz; eine weitere Maßnahme ist die Bereitstellung eines zweiten Sicherheitselements und eines zweiten Speicherelements, die unterschiedliche Referenzwerte aufweisen.
Es versteht sich, dass im Rahmen dieser Anwendung die Messung des tatsächlichen Werts oder des Referenzwerts die Bestimmung von Parametern, die auf diesen hindeuten oder diesen repräsentieren oder diesem entsprechen, einschließt. Da selbst die Dielektrizitätskonstante bei Differenzfrequenzen mit unterschiedlichen Ergebnissen gemessen werden kann, wird ersichtlich sein, dass dieser tatsächliche Wert kein Wert zu sein braucht, der unabhängig anderweitig erhalten werden kann. Er ist jedoch ein tatsächlich gemessener Wert, und wenn die Messung von dem Chip unter den gleichen Bedingungen wiederholt wird, muss sie die gleichen Ergebnisse liefern.
Statt diesen tatsächlichen Wert zu speichern, kann der gemessene tatsächliche Wert mit Algorithmusmitteln zu einem zu speichernden tatsächlichen Wert modifiziert werden. Das Algorithmusmittel wird zum Beispiel durch einen Mikroprozessor gebildet. Alternativ kann es eine Schaltung sein, bei der das Datenformat des tatsächlichen Werts angepasst ist.
Es wird bevorzugt, dass das Bauelement mit einem zweiten Sicherheitselement versehen ist, welches einen lokalen Bereich der Passivierungsstruktur umfasst und eine sich von der ersten Impedanz unterscheidende zweite Impedanz aufweist, und dass ein tatsächlicher Wert der zweiten Impedanz mit den Messmitteln gemessen und als ein zweiter Referenzwert in einem zweiten Speicherelement des Speichers gespeichert werden kann. Das Bereitstellen von mehr als einem Sicherheitselement erhöht die Komplexität der Passivierungsstruktur erheblich. Die beiden Sicherheitselemente können gleicher Art sein, zum Beispiel ein Kondensator, ein Widerstand, ein Induktor, eine LC-Schaltung, ein Transformator, jedoch alternativ auch anderer Art. Sie können weiterhin in einer Schicht verborgen sein, die eine große Anzahl weiterer Strukturen, wie beispielsweise Verbindungsleitungen, umfasst. Außerdem können Speicherelemente in einem Array von Speicherelementen vorborgen sein, in dem weitere Daten gespeichert werden. Die erste und die zweite Impedanz können weiterhin bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen werden. Die Anzahl von Sicherheitselementen kann mehr als zwei betragen. Bevorzugt ist die Anzahl dergestalt, dass die komplette Oberfläche der Passivierungsstruktur mit Sicherheitselementen bedeckt ist. Aus praktischen Gründen können diese als ein Array von Sicherheitselementen vorgesehen sein.
Um zu erreichen, dass das erste und das zweite Sicherheitselement unterschiedliche Impedanzen aufweisen, kann die Struktur der Sicherheitselemente unterschiedlich sein oder können die Messbedingungen unterschiedlich sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Passivierungsstruktur eine effektive Dielektrizitätskonstante auf, die lateral über die Schaltung variiert. Der Begriff „effektive Dielektrizitätskonstante" wird in der Bedeutung verwendet, dass es sich dabei um eine Eigenschaft einer Schicht oder eines Stapels von Schichten handelt, die jeweils ein Gemisch aus Materialien sein können, und dass sie jeden beliebigen Wert der Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität einschließt.
Die effektive Dielektrizitätskonstante der Passivierungsstruktur kann auf verschiedene Arten implementiert sein. Ein erstes Beispiel ist, dass die Dicke der Passivierungsstruktur über die Schaltung variiert. Ein zweites Beispiel ist, dass die Passivierungsstruktur zumindest zwei Schichten umfasst, die eine im Wesentlichen raue Schnittstelle aufweisen. Außerdem können die Schichten teilweise gemischt oder lokal modifiziert sein. Darüber hinaus kann die Passivierungsstruktur aus einem mehrschichtigen Stapel bestehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Passivierungsstruktur eine Passivierungsschicht und eine Sicherheitsschicht, wobei die Sicherheitsschicht Teilchen umfasst, die inhomogen über die Schaltung verteilt sind. Das Sicherheitselement in dieser Ausführungsform kann Impedanzen aufweisen, die von dem tatsächlichen Aufbringungsprozess abhängig sind. Die inhomogen Verteilung von Teilchen kann auf mehrere Arten erfolgen: Die Sicherheitsschicht kann Teilchen unterschiedlicher Größe, unterschiedlicher Zusammensetzung, unterschiedlicher Form, unterschiedlicher Ausrichtung und in Konzentrationen, die über die Schaltung variieren, enthalten. Bevorzugt weisen die Teilchen eine Größe in der Größenordnung des lokalen Oberflächenbereichs der Sicherheitselemente auf. Eine Folge davon ist, dass die Impedanzen der einzelnen Sicherheitselemente nicht vorhergesagt werden können. Sie sind vor einer Initialisierung nicht bekannt. Das hat den Vorteil, dass die Speicherelemente Referenzwerte enthalten, die praktisch eindeutig sind und zu Identifikationszwecken genutzt werden können. Eine weitere Folge der von dem Aufbringungsprozess abhängigen Impedanzen ist, dass es praktisch unmöglich ist, wieder die gleiche Sicherheitsschicht vorzusehen, nachdem diese entfernt wurde.
Die Sicherheitsschicht wird bevorzugt so gewählt, dass es praktisch unmöglich ist, sie zu entfernen und mit einem beliebigen Mikroskop durch sie hindurch zu sehen. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst sie ein Keramikmaterial und kann in einem Sol-Gel-Prozess aufgebracht sein. Ein Beispiel für eine Sicherheitsschicht basiert auf Monoaluminiumphosphat, das aus der WO-A 99/65074 bekannt ist. Weitere Beispiele derartiger Matrixmaterialien schließen TiO₂, SiO₂ (gewonnen aus Tetraethoxyorthosilikat) und Aufschleuder-Polymere ein. Eine derartige Sicherheitsschicht kann auf einer Passivierungsschicht aufgebracht werden, um sicherzustellen, dass die aktiven Elemente der darunter befindlichen Schaltung nicht verunreinigt werden. Wenn die Größe der Teilchen mit der des lokalen Oberflächenbereichs eines Sicherheitselements vergleichbar ist, wird automatisch eine inhomogen Verteilung erreicht. Alternativ kann zum Beispiel durch Aufbringung einer mit Teilchen gefüllten inhomogenen Suspension des Matrixmaterials eine inhomogen Verteilung erreicht werden.
Die erste und die zweite Elektrode des ersten Sicherheitselements können verschiedene Formen aufweisen. Wenn das erste Sicherheitselement primär ein Induktor mit einer Windung ist, können die erste und die zweite Elektrode durch die eine Windung verbunden sein, das heißt, sie sind Teil derselben Metallleitung. Wenn die erste und die zweite Elektrode nicht Teil derselben Metallleitung sind, können sie auf derselben Seite oder auf beiden Seiten der Passivierungsstruktur vorhanden sein. Es kann sogar sein, dass eine der Elektroden im Innern der Passivierungsstruktur vorhanden ist, und für den Fachmann werden weitere Varianten ersichtlich sein. Gibt es mehr als ein Sicherheitselement und sind die zweiten Elektroden mit einer Masseebene verbunden, können mehrere zweite Elektroden zu einer kombiniert werden. Die zweiten Elektroden können als eine im Wesentlichen unstrukturierte Schicht implementiert sein, die an einem Punkt mit einer Masseebene verbunden ist, insbesondere, wenn diese zweiten Elektroden auf der Oberseite der Passivierungsstruktur vorhanden sein können. Statt einer Metallschicht kann eine andere elektrisch leitfähige Schicht verwendet werden, wie beispielsweise eine Schicht eines elektrisch leitfähigen Polymers oder eine elektrisch leitfähige Teilchen umfassende Schicht. Eine derartige unstrukturierte leitfähige Schicht kann außerdem als ein Schutz gegen elektrostatische Entladung verwendet werden.
Die Passivierungsstruktur ist auf der Oberseite einer Metallschicht vorhanden, wobei die Metallschicht die erste und die zweite Elektrode umfasst sowie Zwischenverbindungen zur Verbindung mit aktiven Elementen gemäß einer gewünschten Auslegung. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass keine zusätzlichen Metallschichten aufgebracht zu werden brauchen, um die erste und die zweite Elektrode der Sicherheitselemente bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Elektrode in der Struktur von Zwischenverbindungen dadurch verborgen sein kann, dass diese im Wesentlichen die gleiche Form erhalten. Es wird bevorzugt, dass die erste und die zweite Elektrode des ersten Sicherheitselements ein Paar verflochtener Elektroden bilden. In dieser Ausführungsform ist der Oberflächenbereich der Elektroden relativ groß, was positiv für die Größe der Impedanz ist.
Die Ausführungsform ist insbesondere geeignet für die Messung des kapazitiven Teils der Impedanz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Große Variationen der Kapazität können erreicht werden durch die Wahl von Teilchen mit einer Dielektriztätskonstante, die sich von der des Hauptmaterials (der Hauptmaterialien) der Passivierungsstruktur unterscheidet. Somit können sie eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die vergleichsweise hoch ist, wie beispielsweise BaTiO₃, SrTiO₃, TiN, WO₃, oder eher niedrig, wie beispielsweise Luft (zum Beispiel eine Pore), ein organisches Dielektrikum oder ein poröses alkylsubstituiertes SiO₂.
Die Implementierung der Messmittel hängt von der spezifischen Art der zu messenden Impedanz ab. Wenn der kapazitive Teil der Impedanz gemessen wird, können Messmittel verwendet werden, die aus dem Gebiet der Fingerabdruck-Sensoren bekannt sind. Derartige Messmittel sind zum Beispiel die Gesamtheit von aus der US-A 5,325,442 bekannten Antriebsmitten und Sensiermitteln. Insbesondere, wenn die Anzahl von Sicherheitselementen relativ klein ist, können diese alternativ nacheinander mit einer herkömmlichen Schaltung gemessen werden, wobei die Messvorrichtung parallel zu der Impedanz platziert wird.
In einer bevorzugten Implementierung umfassen die Messmittel einen Oszillator und einen Binärzahler. Mit dem Oszillator kann der Imaginärteil der Impedanz eines gewählten Sicherheitselements gemessen werden, was ein Signal mit einer Frequenz ergibt, die von diesem Teil der Impedanz abhängt. Der Binärzähler vergleicht diese Frequenz mit einer Normalfrequenz. Der Vorteil dieser Implementierung ist deren Verwendung von Normbauteilen, wie beispielsweise Oszillatoren und Binärzählern. Diese sind in der integrierten Schaltung bereits vorhanden und können als Messmittel verwendet werden. Alternativ und bevorzugt können zusätzliche Oszillatoren und Binärzähler hinzugefügt werden. Im Allgemeinen erfolgt die Messung mit einem Wechselstrom; die Verwendung eines Gleichstroms ist jedoch nicht unmöglich.
Um die Spezifität der Messung der Messmittel zu erhöhen, können ein zweiter Oszillator und eine Prozessorfunktion hinzugefügt werden. Der zweite Oszillator liefert eine Schwingung mit einer unterschiedlichen Frequenz. Tatsächlich muss eine wieder aufgebrachte Passivierungsstruktur das gleiche Verhalten aufweisen wie die ursprüngliche Passivierungsstruktur, nicht nur bei einer Frequenz, sondern auch bei der zweiten Frequenz. Das Vorhandensein zusätzlicher Mittel zum Messen bei einer zweiten Frequenz weist weiterhin den Vorteil einer erhöhten Gestaltungsfreiheit auf. Zum Beispiel können Halbleiterbauelemente, die auf einem Wafer verarbeitet werden, mit Oszillatoren versehen werden, die unterschiedliche Frequenzen aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Impedanz gemessen werden, indem in das Sicherheitselement eine in dem Halbleiterbauelement erzeugte Rechteckwelle bekannter Frequenz und Amplitude eingespeist wird. Daraufhin wird der Strom gemessen. Der daraus berechnete tatsächliche Wert wird anschließend mittels eines Analog-Digital-Wandlers im Innern des Halbleiterbauelements digitalisiert.
Der Speicher kann herkömmlicher Art sein und Speicherelemente sowie einen Mikroprozessor einschließen, um das Speichern und Lesen von Daten zu ermöglichen. Die Speicherelemente sind bevorzugt einmal programmierbar, wie beispielsweise EPROMs. Sie könnten jedoch alternativ auch herkömmliche Speicherelemente sein, wie beispielsweise EEPROM, DRAM, SRAM und MRAM.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist, eine Karte mit einem Halbleiterbauelement bereitzustellen, die nach Entfernen und erneutem Aufbringen der Passivierungsstruktur des Halbleiterbauelements nicht funktioniert. Diese zweite Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement vorhanden ist. Vor jedem Einsatz der Karte wird die Authentizität des Halbleiterbauelements geprüft, was in der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prüfung der Authentizität ausführlicher beschrieben wird. Da der tatsächliche Wert des ersten Sicherheitselements mit dem in dem ersten Speicherelement gespeicherten ersten Referenzwert verglichen werden kann, ist es praktisch unmöglich, die ursprüngliche Passivierungsstruktur durch eine andere Passivierungsstruktur zu ersetzen, die alle vorhandenen Sicherheitselemente mit der gleichen Impedanz versieht. Daher kann bei einer Karte, die das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement umfasst, nach Entfernen und erneutem Aufbringen der Passivierungsstruktur festgestellt werden, dass sie nicht mehr authentisch ist.
Die erfindungsgemäße Karte ist bevorzugt eine Chipkarte, die Finanzdaten oder persönliche Daten enthält oder Zugang zu einem Gebäude oder zu Informationen gewährt. Die Sicherheitsanforderungen an derartige Chipkarten erhöhen sich stetig, was mit dem zunehmenden Vertrauen in diese Chipkarten und deren zunehmender Nutzung zusammenhängt. Alternativ kann die Karte eine Transponderkarte sein, die kontaktlos ausgelesen werden kann. Die Karte kann auch eine Banknote sein. In diesem Fall muss das Halbleiterbauelement sehr dünn sein. Aufgrund der verbesserten Passivierungsstruktur des Halblei terbauelements kann die Anzahl von Verbindungsschichten reduziert werden, wodurch sich auch die Kosten für das Bauelement reduzieren. Eine weitere Kartenart ist eine SIM-Karte für ein Mobiltelefon. Im Fall des kontaktlosen Auslesens enthält die Karte eine Antenne zum Kommunizieren mit der Zugangsvorrichtung. Das Halbleiterbauelement ist mit der Antenne verbunden.
Da die erste Impedanz des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements unvorhersagbar sein kann, besteht ein Bedarf an einem Initialisierungsverfahren.
Daher ist eine dritte Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, welches das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement initialisiert. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sie die folgenden Schritte umfasst:

– Messen eines tatsächlichen Werts der ersten Impedanz des ersten Sicherheitselements bei einer ersten Frequenz und
– Speichern des tatsächlichen Werts als den Referenzwert in dem ersten Spei cherelement.

Dieses Verfahren ist nicht auf ein Halbleiterbauelement mit einer Passivierungsstruktur, deren Impedanz tatsächlich unvorhersagbar ist, beschränkt. In vielen Fällen, wie beispielsweise in dem Fall, in dem die Passivierungsstruktur eine mit Teilchen gefüllte Schicht umfasst, kann nur ein Mittelwert der Impedanz berechnet werden. Die Messung des tatsächlichen Werts und dessen Speicherung als ein erster Referenzwert ermöglicht es, einen weitaus präziseren ersten Referenzwert zu erhalten. Es kann weiterhin sein, dass das Halbleiterbauelement unter bestimmten Umständen reinitialisiert werden kann. Zum Zweck der Wiederverwendung ist dies vorzuziehen, zum Zweck der Sicherheit jedoch nicht. Eine derartige Wiederverwendung kann zum Beispiel im Rahmen der Verwendung von erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen zum Gewähren des Zutritts zu einem Gebäude vorteilhaft sein.
In einer Ausführungsform wird der tatsächliche Wert der ersten Impedanz bei einer zweiten Frequenz gemessen und in einem zweiten Speicherelement als zweiter Referenzwert gespeichert. Um eine erhöhte Sicherheit zu erreichen, wird die Impedanz bevorzugt bei mehr als einer Frequenz gemessen. Folglich sollte dieser Wert ebenfalls während der Initialisierung gemessen und gespeichert werden.
Es wird anerkannt, dass der tatsächliche Wert vor Speicherung als ein erster Referenzwert gemäß einem Algorithmus modifiziert werden könnte. Zum Beispiel könnte der tatsächliche Wert mit einem ganzzahligen Wert multipliziert werden, um einen Wert zu erzeugen, der im Bereich zwischen 0 und 1000 liegt. Außerdem könnte der tatsächliche Wert so modifiziert werden, dass eine ganze Zahl erzeugt wird, oder er könnte digitalisiert werden.
Ein Verfahren zur Prüfung der Authentizität eines Halbleiterbauelements ist aus der WO-A 99/12121 bekannt. Das bekannte Verfahren umfasst einen Datenaustausch zwischen dem Halbleiterbauelement und einer externen Vorrichtung, wie beispielsweise einem Kartenleser. Von der externen Vorrichtung wird ein digitaler Zufallswert generiert und an das Halbleiterbauelement übertragen. Nach Modifizierung wird der Zufallswert zurück an die externe Vorrichtung gesendet. Die Authentizität des Bauelements wird nur anerkannt, wenn der modifizierte Wert einem aus dem Zufallswert abgeleiteten Prüfwert entspricht.
Ein Nachteil ist, dass ein Bedarf besteht, sowohl im Halbleiterbauelement als auch in der externen Vorrichtung eine spezifische Modifizierungsprozedur zu implementieren. Das Vorhandensein der Modifizierungsprozedur in der externen Vorrichtung könnte es jeder beliebigen nicht autorisierten Person gestatten, die Modifizierungsprozedur herauszufinden.
Daher ist eine vierte Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, in dem keine Modifizierungsprozedur notwendig ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verfahren zur Prüfung der Authentizität des initialisierten Halbleiterbauelements folgende Schritte umfasst:

– Messen des tatsächlichen Werts der ersten Impedanz bei einer ersten Frequenz,
– Lesen des ersten Referenzwerts,
– Vergleichen des ersten Referenzwerts und des tatsächlichen Werts und
– Anerkennen der Authentizität des Halbleiterbauelements ausschließlich dann, wenn zumindest die Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert und dem ersten Referenzwert kleiner als ein vordefinierter Schwellenwert ist.

Das Verfahren beruht auf der Anerkennung, dass sowohl der tatsächliche Wert als auch der erste Referenzwert in dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement physikalisch vorgegeben sind. Da beide in demselben Bauelement vorhanden sind, besteht kein Bedarf, dass alle Halbleiterbauelement die gleichen Bedingungen erfüllen müssen, zum Beispiel, indem in sämtlichen von ihnen ein und dieselbe Modifizierungsprozedur oder die Mittel derselben implementiert ist/sind. Der vordefinierte Schwellenwert ist im Allgemeinen sehr klein und ist so zu definieren, dass Messunsicherheiten oder Beeinflussungen durch Temperatur und andere äußere Bedingungen berücksichtigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Größe der auszutauschenden Daten reduziert wird, was eine schnellere Prüfprozedur ermöglicht.
Es sei hier erwähnt, dass unter normalen Bedingungen eine Mehrzahl von Sicherheitselementen mit Impedanzen vorhanden ist. Es kann somit davon ausgegangen werden, dass alle Impedanzen, oder zumindest einige davon, mit den entsprechenden Referenzwerten verglichen werden müssen, bevor die Authentizität des Halbleiterbauelements vollständig anerkannt werden kann.
Es wird anerkannt, dass der tatsächliche Wert vor Vergleich mit dem ersten Referenzwert gemäß einem Algorithmus modifiziert werden kann. Zum Beispiel könnte der tatsächliche Wert mit einem ganzzahligen Wert multipliziert werden, um einen Wert zu erzeugen, der im Bereich zwischen 0 und 1000 liegt. Außerdem kann der tatsächliche Wert so modifiziert werden, dass eine ganze Zahl erzeugt wird, oder er könnte digitalisiert werden. Wenn es einen Modifizierungsalgorithmus gibt, wird dieser in dem Halbleiterbauelement so implementiert, dass er nicht angepasst werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der tatsächliche Wert und der erste Referenzwert in gleicher Weise modifiziert werden.
Es gibt verschiedene Optionen, um sicherzustellen, dass der tatsächliche Wert und der erste Referenzwert nicht beide so modifiziert werden, dass sie gleich sind. Die erste Option ist, dass eine Modifizierung oder Ersetzung sowohl des tatsächlichen Werts als auch des ersten Referenzwerts als sehr schwierig gestaltet wird. Dies kann zum Beispiel erreicht werden durch Integrieren der Messmittel und der Speicherelemente in die anderen Bauteile des Halbleiterbauelements. Eine zweite Option ist, dass der tatsächliche Wert der ersten Impedanz bei einer zweiten Frequenz gemessen und mit dem entsprechenden zweiten Referenzwert verglichen wird.
Eine dritte Option ist, dass der erste sich während der Initialisierung ergebende Referenzwert auch außerhalb des Halbleiterbauelements gespeichert wird. Er wird nach der Initialisierung von dem Halbleiterbauelement an eine zentrale Datenbankvorrichtung übertragen. In dieser zentralen Datenbankvorrichtung wird er als ein erstes Zeichen eines eindeutigen Chip-Kenncodes gespeichert. Auf diese Weise stellt er die Identität des Halbleiterbauelements dar. Während der Prüfung der Authentizität wird der erste Referenzwert an eine Zugangsvorrichtung übertragen. Diese Zugangsvorrichtung kann die zentrale Datenbankvorrichtung sein oder umfassen. Alternativ kann die Zugangsvorrichtung ein Kartenleser sein, der Zugang zu der zentralen Datenbankvorrichtung hat. Der erste Referenzwert wird dann mit dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes vergleichen, und die Authentizität des Halbleiterbauelements wird ausschließlich dann anerkannt, wenn der erste Referenzwert dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes entspricht.
In der Ausführungsform, in der der erste Referenzwert bis zur Initialisierung des Halbleiterbauelements unbekannt ist, kann der erste Referenzwert oder ein Reihe von Referenzwerten als eine laufende Nummer zur Identifizierung des Halbleiterbauelements verwendet werden. Eine derartige laufende Nummer ist auch als ein eindeutiger Chip-Kenncode bekannt. Sie kann zum Beispiel in einer Situation verwendet werden, in der eine Person Zugang zu Informationen oder zu einem Gebäude mit einer Karte erhalten kann, die mit einem Halbleiterbauelement versehen ist. Eine weitere Situation sind Karten, die für Finanztransaktionen einer bestimmten Bank verwendet werden, wobei vor Durchführung einer Transaktion Kontakt zu einem Rechner der Bank hergestellt wird. Diese Situationen betreffen Systeme, die einen Leser und eine begrenzte Anzahl von Karten umfassen, wobei jede der Karten bekannt ist und identifiziert werden kann. Da der erste Referenzwert bevorzugt von einer nicht steuerbaren Variation der Passivierungsstruktur abhängt, ist die Anzahl möglicher Referenzwerte sehr groß. Außerdem gibt es innerhalb der laufenden Nummern kein Muster, das erkannt werden könnte. Da die Konstitution und die Zusammensetzung der Passivierungsstruktur offen für verschiedene Gestaltungen ist, ist die Variation möglicher Referenzwerte praktisch unbegrenzt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Identifizierung eines Halbleiterbauelements bereitzustellen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 identifiziert wird, wobei das Bauelement initialisiert wurde, um einen ersten Referenzwert in dem ersten Speicherelement zu speichern, und dadurch, dass das Verfahren zur Identifizierung die folgenden Schritte umfasst:

– Lesen des ersten Referenzwerts,
– Übertragen des ersten Referenzwerts von dem Halbleiterbauelement an eine Zugangsvorrichtung, die eine zentrale Datenbankvorrichtung, in der ein erstes Zeichen eines eindeutigen Chip-Kenncodes gespeichert ist, umfasst oder Zugang zu dieser hat, wobei das erste Zeichen die Identität des Halbleiterbauelements darstellt und dem ersten Referenzwert bei Initialisierung des Halbleiterbauelements entspricht,
– Vergleichen des ersten Referenzwerts mit dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes und
– Anerkennen der Identität des Halbleiterbauelements ausschließlich dann, wenn der erste Referenzwert dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes entspricht.

Diese und andere Aspekte des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, der erfindungsgemäßen Karte, des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Initialisierung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prüfung der Authentizität werden weiter erläutert unter Bezugnahme auf die Figuren, von denen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist,
2 eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist,
3 eine schematische Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist,
4 eine schematische Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist,
5 ein Schaltplan des Halbleiterbauelements ist,
6 eine Ausführungsform der Messmittel des Halbleiterbauelements zeigt,
7 eine weitere Ausführungsform der Messmittel des Halbleiterbauelements zeigt,
8 ein vereinfachter Schaltplan einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist, der ein Array von Sicherheitselementen zusammen mit einer zugehörigen Adressierschaltung zeigt, und
9 schematisch ein System zeigt, umfassend die Karte und eine Zugangsvorrichtung und eine zentrale Datenbankvorrichtung.
Die Figuren sind schematisch gezeichnet und nicht maßstabsgetreu, und identische Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren bezeichnen übereinstimmende Elemente. Für Fachleute wird ersichtlich sein, dass alternative, jedoch äquivalente Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, ohne vom wahren Erfindungsgedanken abzuweichen, und dass der Umfang der Erfindung nur durch die Ansprüche begrenzt wird.
In 1 weist das Halbleiterbauelement 11 ein Substrat 31 aus Silizium auf, das eine erste Seite 32 aufweist. Auf dieser Seite 32 ist das Bauelement 11 mit einem ersten aktiven Element 33 und einem zweiten aktiven Element 43 versehen. Diese aktiven Elemente 33, 34 sind in diesem Beispiel Bipolartransistoren mit Emitterbereichen 34, 44, Basisbereichen 35, 45 und Kollektorbereichen 36, 36.
Die Bereiche 34 bis 36, 44 bis 46 sind in einer ersten Schicht 37 vorgesehen, die mit einer strukturierten Isolierschicht 38 aus Siliziumoxid bedeckt ist. Die Isolierschicht 38 ist so strukturiert, dass sie in den Emitterbereichen 34, 44 und den Basisbereichen 35, 45 Kontaktfenster aufweist. Wie Fachleuten bekannt ist, können statt des Bipolartransistors oder neben diesem auch Feldeffekttransistoren vorhanden sein. Wie Fachleuten weiterhin bekannt ist, können weitere Elemente, wie beispielsweise Kondensatoren, Widerstände und Dioden in das Halbleiterbauelement 11 integriert sein.
An diesen Kontaktfenstern in der Isolierschicht 38 sind die Bereiche mit Zwischenverbindungen 39, 40, 41, 42 verbunden. Die Zwischenverbindungen erstrecken sich in dieser Ausführungsform auf einer ersten Ebene und einer zweiten Ebene. Wie im Allgemeinen bekannt ist, kann die Verbindungsstruktur eine Mehrzahl von Ebenen umfassen. Zwischen den Zwischenverbindungen und den aktiven Elemente ist im Allgemeinen eine nicht gezeigte Sperrschicht vorhanden. Die Zwischenverbindungen 39, 40, 41, 42 sind zum Beispiel aus Al oder aus Cu auf eine bekannte Weise gefertigt und mit dielektrischen Schichten 47, die bevorzugt eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen, bedeckt und gegeneinander isoliert. Zusätzlich vorhandene Sperrschichten sind nicht gezeigt. Zwischen diesen dielektrischen Lagen 47 ist eine weitere Metallschicht 28 vorhanden. In dieser Metallschicht 28 sind die Elektroden 14, 15 des ersten Sicherheitselements 12A in einem Abstand von 4 μm zueinander angeordnet. Das erste Sicherheitselement umfasst weiterhin ein Dielektrikum 17, das als ein lokaler Bereich der Passivierungsstruktur 50 ausgebildet ist. Diese Passivierungsstruktur 50 umfasst in dieser Ausführungsform eine Haftschicht 51 aus Phosphorsilikatglas in einer Dicke von 0,50 μm, eine Passivierungsschicht 52 aus SiN in einer Dicke von 0,60 μm und eine Sicherheitsschicht 53 aus Monoaluminiumphosphat in einer Dicke von 3,0 μm. Diese Schicht wurde durch Schleuderbeschichtung mit einer Zusammensetzung von 15 Gew.-% Monoaluminiumphosphat in Wasser aufgebracht. Die Zusammensetzung enthielt 20 bis 50 Gew.% Teilchen und wurde anschließend bei 100 bis 150°C getrocknet. Alternativ kann sie durch Schleuderbeschichtung mit einer Zusammensetzung von 5 bis 10 Gew.-% Monoaluminiumphosphat aufgebracht werden. Nach dem Trocknen wird die Schicht bei 400 bis 500°C geglüht, um Kondensation zu ermöglichen, aufgrund derer ein Übergang von der flüssigen in die feste Phase stattfindet. Die Sicherheitsschicht 53 wurde planarisiert, und auf selbiger ist ein Epoxidmaterial als eine Abdeckung 54 vorhanden. Die Sicherheitsschicht 53 kann strukturiert sein, um Kontaktflächen zu definieren, zum Beispiel zur Verbindung mit einer Leiterplatte.

Die in der Sicherheitsschicht 53 enthaltenen Teilchen sind TiO₂, TiN, SrTiO₃ und/oder modifiziertes BaTiO₃. Derartiges modifiziertes BaTiO₃ ist zum Beispiel in der US 6,078,494 offenbart. Relative Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten dieser Teilchen und der übrigen Materialien in der Passivierungsstruktur 50 sind in Tabelle 1 gezeigt.

Art der Wirkung:	Verbindung:	Dielektrizitätskonstante (ε_r)	Leitfähigkeit (μΩ cm)
Dieelektrisch	SiN	8
Dieelektrisch	Phosphorsilikatglas	4,2
Dieelektrisch	Monoaluminiumphoshat	5	–
Dieelektrisch	Luft	~1	–
Dieelektrisch	SiO₂	4,2
Dieelektrisch	mesoporöses methylsubstituiertes SiO₂	1,9 bis 2,3
Leitfähig	TiN	–	21,7
Leitfähig	C (Grafit)	–	65
Dieelektrisch	TiO₂	~100	–
Dieelektrisch (ferroelektrisch)	SrTiO₃	~300 bis 400	–
Dieelektrisch	modifiziertes BaTiO₃	~25 000

Tabelle 1: relative Dielektrizitätskonstanten (in Bezug auf die des Vakuums) und Leitfähigkeiten verschiedener Materialien, die in der Passivierungsstruktur vorhanden sein können

2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Halbleiterbauelements 11, die nicht Teil der Erfindung ist. In dem Bauelement 11 gemäß dieser Ausführungsform ist das erste Sicherheitselement 12A eine LC-Struktur, die einen Kondensator mit einer ersten Elektrode 14, einer zweiten Elektrode 15 und einem Dielektrikum 17 sowie eine Spule mit zwei Windungen 55, 56 umfasst. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 1 sind die erste und die zweite Elektrode 14, 15 nicht in derselben Schicht auf derselben Seite der Passivierungsstruktur 50 vorhanden. Die erste Elektrode 14 und die zweite Windung 56 sind in einer Metallschicht 28 zwischen der Passivierungsstruktur 50 und den aktiven Elementen 33, 43 vorhanden. Sie sind durch Zwischenverbindungen 48 jeweils mit weiteren Schaltungen verbunden. Die zweite Elektrode 15 und die erste Windung 55, die miteinander verbunden sind, sind in einer zusätzlichen Metallschicht 58 zwischen der Passivierungsstruktur 50 und der Abdeckung 54 vorhanden. Die zusätzliche Metallschicht 58 ist gegenüber der Abdeckung 54 durch eine zusätzliche Passivierungsschicht 59 geschützt.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Halbleiterbauelements 11, die nicht Teil der Erfindung ist. Das Bauelement 11 gemäß dieser Ausführungsform umfasst ein erstes Sicherheitselement 12A, ein zweites Sicherheitselement 12B und ein drittes Sicher heitselement 12C. Sämtliche dieser Sicherheitselemente 12A, 12B, 12C sind Kondensatoren mit einer gemeinsamen zweiten Elektrode 15, die mit einer Masseebene verbunden ist. Die Sicherheitselemente 12A, 12B, 12C weisen unterschiedliche erste Elektroden 14A, 14B,14C auf. Diese können sehr gut in einem Array integriert sein, wie unter Bezugnahme auf 5 weiter erläutert.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 11. Die Zeichnung zeigt die Gesamtheit der Schichten 31, 37 bis 42, 47 sowie 48 als ein Substrat 131. Das Bauelement 11 gemäß dieser Ausführungsform umfasst ein erstes, zweites und drittes Sicherheitselement 12A, 12B, 12C. Die Passivierungsstruktur 50 dieser Ausführungsform umfasst strukturierte Schichten 61, 62, 63 verschiedener Materialien, eine intermetallische dielektrische Lage 64 aus SiO₂, eine Passivierungsschicht 52 aus SiN und eine Sicherheitsschicht aus TiN.
Das erste Sicherheitselement 12A ist ein Kondensator und weist eine erste und eine zweite Elektrode 14A, 15A auf, wobei die Elektroden in der Metallschicht 28 auf derselben Seite der Passivierungsstruktur 50 vorhanden sind. Das Dielektrikum 17A ist ein Abschnitt der strukturierten Schicht 61, gefertigt aus methylsubstituiertem mesoporösem SiO₂, das erhalten wurde aus einem Gemisch aus Tetraethoxyorthosilikat (TEOS) und Methyltrimethoxysilan (MTMS) in einem Molverhältnis von 1:1 und einem nicht polaren grenzflächenaktiven Stoff. Es weist eine relative Dielektrizitätskonstante von 2,0 auf. Der Abstand zwischen den Elektroden 14A und 15A beträgt 2,0 μm, die Länge der Elektroden beträgt 10 μm, und die Höhe der Elektroden beträgt 0,7 μm. Das erste Sicherheitselement 12A weist somit eine Kapazität von 6,3·10^–5 pF auf, berechnet ohne Berücksichtigung von Streukapazität.
Das zweite Sicherheitselement 12B ist ein Kondensator und weist eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode 14B, 15B sowie eine Kondensator-Zwischenelektrode 57 auf. Das Dielektrikum 17B umfasst einen Abschnitt der intermetallischen dielektrischen Schicht 64 aus SiO₂ und der strukturierten Schicht 62 aus SiN. Der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 14B, 15B, die in derselben Metallschicht 28 vorhanden sind, beträgt 0,5 μm, die Länge der Elektroden beträgt 20 μm, und der Abstand zwischen den Elektroden 14B, 15B und der Zwischenelektrode 57 beträgt 0,1 μm (0,04 μm SiN und 0,06 μm SiO₂). Das zweite Sicherheitselement 12B weist somit eine Kapazität von 2,40·10^–2 pF auf, berechnet ohne Berücksichtigung von Streukapazität.
Das dritte Sicherheitselement 12C ist ein Kondensator und weist eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode 14C, 15C auf, die in der Metallschicht 28 vorhanden sind. Das Dielektrikum 17C weist die Form eines Kanals auf und ist ein Abschnitt der strukturierten Schicht 63 aus SiO₂. Der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 14B, 15B beträgt 0,5 μm, die Länge des Kanals beträgt 100 μm, und die Höhe der Elektroden beträgt 0,7 μm. Das dritte Sicherheitselement 12C weist somit eine Kapazität von 5,4·10^–3 auf, berechnet ohne Berücksichtigung von Streukapazität.
5 ist ein Schema einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements 11 zusammen mit einer Zugangsvorrichtung 2. Das Halbleiterbauelement 11 umfasst verschiedene Mittel: Messmittel 4, Speicher 7, Steuermittel 8 und eine Verifizierungssteuerung 9. Darüber hinaus umfasst das Halbleiterbauelement eine Mehrzahl von Sicherheitselementen 12 sowie einen Schalter 10. Der Speicher 7 umfasst eine Mehrzahl von Speicherelementen 7A, 7B, 7C, ... sowie eine Speichersteuerung 5 und eine Lesesteuerung 6. Das Steuermittel 8 und die Verifizierungssteuerung 9 können in eine Funktion integriert sein, wobei diese ein Mikroprozessor oder eine zugewiesene Schaltung ist. Das Steuermittel 8 braucht nicht einzig der Steuerung des Messens, Speicherns und Lesens der Impedanzen der Sicherheitselemente 12 zugewiesen zu sein, sondern kann die Funktion des kompletten Halbleiterbauelements steuern, einschließlich eines weiteren Speichers mit finanz- oder identitätsbezogenen Daten. Außerdem braucht der Speicher 7 nicht nur für die Impedanzen der Sicherheitselemente 12 ausgelegt zu sein, wie für den Fachmann auf dem Gebiet der Auslegung von integrierten Schaltungen ersichtlich sein wird. Die Sicherheitselemente 12 sind in diesem Beispiel Kondensatoren und auf einer Seite mit einer Masseebene verbunden. Die Zugangsvorrichtung 2 ist im Allgemeinen ein Kartenleser, kann jedoch auch eine andere Vorrichtung sein, zum Beispiel eine die Initialisierung ausführende Einrichtung.
Die Schaltung in dem Halbleiterbauelement 11 funktioniert wie folgt: Während der Initialisierung wird von der Zugangsvorrichtung 2 ein Signal an das Halbleiterbauelement 11 gesendet, das die Initialisierung anfordert. Dieses Signal tritt in das Steuermittel 8 ein. Das Steuermittel 8 sendet an die Messmittel 4 ein Signal, das anzeigt, dass die Sicher heitselemente 12 zu messen sind. Es wird bevorzugt, dass dieses Signal ein Signal ist, mit dem das erste Sicherheitselement 12 gewählt, gemessen und gespeichert werden kann; in diesem Fall brauchen die Messmittel 4 keinen Mikroprozessor einzuschließen. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl von Signalen von dem Steuermittel an die Messmittel 4 gleich der Anzahl oder größer als die Anzahl von Sicherheitselementen 12. Nach der Messung wird der tatsächliche Wert der ersten Impedanz über einen Schalter 10 an den Speicher 7 gesendet. Die Speichersteuerung 5 bewirkt, dass der tatsächliche Wert in dem ersten Speicherelement 7A gespeichert wird. Bevorzugt wird von der Speichersteuerung 5 ein Signal an das Steuermittel 8 gesendet, um den erfolgreichen Abschluss des Speicherns des ersten Referenzwerts anzuzeigen.
Solange die Initialisierung noch nicht abgeschlossen ist, bietet der Schalter 10 Zugang zu der Speichersteuerung 5. Nach Abschluss der Initialisierung liefert das Steuermittel 8 ein Signal an den Schalter 10. Dieses Signal bewirkt, dass der Schalter 10 seinen Zustand ändert und anschließend Signale an die Verifizierungskontrolle liefert. Der Schalter 10 kann auf mehrere Arten implementiert sein: Er kann ein Transistor oder eine PIN-Diode sein. Alternativ kann er eine Kombination aus einer Antischmelzvorrichtung und einer Sicherung sein, wobei die Sicherung an der Ausgangsverbindung zu der Speichersteuerung 5 vorhanden ist und die Antischmelzvorrichtung am Ausgang zu der Verifizierungssteuerung 9. Das Signal des Steuermittels 10 ist eine Spannungsspitze oder stellt eine solche bereit, wobei ermöglicht wird, dass die Ausgangsverbindung zu der Speichersteuerung 5 unterbrochen und die Ausgangsverbindung zu der Verifizierungssteuerung 9 geschlossen wird. In dieser Ausführungsform kann der Schalter nur einmal geschaltet werden, wie per se aus der 5,032,708 bekannt ist. Eine derartige Spannungsspitze kann bereitgestellt werden, da während der Initialisierung ein Kontakt zwischen der Zugangsvorrichtung 2 und dem Halbleiter 11 hergestellt werden kann, selbst wenn die normale Kommunikation zwischen dem Halbleiterbauelement 11 und einer Zugangsvorrichtung 2 kontaktlos erfolgt. Weitere Ausführungsformen werden für Fachleute ersichtlich sein. Wie der Fachmann erkennen wird, ist nicht ausgeschlossen, dass der Schalter 10 und die Speichersteuerung 5 in eine Funktionseinheit integriert sind.
Bei der Prüfung der Authentizität oder der Identität des Halbleiterbauelements 11 arbeitet die Schaltung wie folgt: Während der Initialisierung wird von der Zugangsvorrichtung 2 ein Signal an das Halbleiterbauelement 11 gesendet, das die Prüfung anfordert. Dieses Signal tritt in das Steuermittel 8 ein. Das Steuermittel 8 sendet an die Messmittel 4 ein Signal, das anzeigt, dass die Sicherheitselemente 12 zu messen sind. Dies erfolgt auf die gleiche Weise wie während der Initialisierung. Der tatsächliche Wert der ersten Impedanz wird über den Schalter 10 an die Verifizierungssteuerung 9 gesendet. Diese Verifizierungssteuerung 9 verfügt außerdem über den ersten Referenzwert der ersten Impedanz oder empfängt diesen. Dieser erste Referenzwert wurde von der Lesesteuerung 6 nach Erhalt eines Signals von dem Steuermittel 8 oder optional von der Verifizierungssteuerung 9 aus dem ersten Speicherelement 12A ausgelesen. Anschließend können der tatsächliche Wert und der erste Referenzwert miteinander verglichen werden. Wenn die Differenz zwischen den beiden Werten kleiner als ein vordefinierter Schwellenwert ist, zum Beispiel 3%, wird ein positives Signal, das „OK" meldet, an das Steuermittel 8 gesendet. Dies kann unverzüglich oder nach einem Vergleich sämtlicher tatsächlichen Werte mit sämtlichen Referenzwerten oder nach einem Vergleich einer ausgewählten Anzahl tatsächlicher Werte mit den entsprechenden Referenzwerten erfolgen. Bevorzugt wird der Referenzwert im Fall eines positiven Signals auch an das Steuermittel 8 gesendet. Die tatsächliche Kommunikation kann verschiedenen Algorithmen unterliegen, wie für Fachleute ersichtlich sein wird. Der vordefinierte Schwellenwert hängt von der Präzision der Messmittel ab. Er könnte alternativ 10 oder 20% betragen, insbesondere, wenn die Anzahl von Sicherheitselementen groß ist, zum Beispiel 10 oder mehr. Wiederum alternativ könnte er weniger als 1% betragen, was teilweise von den Wünschen des Kunden und dem Stand der Technik bezüglich der Auslegung integrierter Schaltungen abhängt.
6 zeigt eine erste Ausführungsform der Messmittel 4 des Halbleiterbauelements 11. Die Sicherheitselemente 12A, 12B und 12C sind ebenfalls gezeigt. Die Messmittel 4 gemäß dieser Ausführungsform messen den Imaginärteil der Impedanz der Sicherheitselemente 12. Tatsächlich liefert der Oszillator 82 ein Signal an den Zähler 84, dessen Frequenz von dem Imaginärteil der Impedanz des gemessenen Sicherheitselements 12 abhängt. Der Zähler 84 vergleicht diese Frequenz mit einem Signal, das eine Taktfrequenz aufweist. Dieses Signal hat seinen Ursprung in einem Oszillator mit einem Kondensator 87 und einem Widerstand 88, die beide einen präzisen und hinreichend bekannten Wert aufweisen. Das Ergebnis des Vergleichs in dem – binären – Zähler 84 ist ein digitalisiertes Signal, das gespeichert werden kann. Das digitalisierte Signal ist der tatsächliche Wert der Impedanz des gemessenen Sicherheitselements 12. Der tatsächliche Wert kann in jeder beliebigen Art von SI-Einheit vorliegen oder alternativ in jedem beliebigem halbleiterspezifischen Wert, da er nicht mit einem extern gemessenen Wert verglichen wird. Um auszuwählen, welches Sicherheitselement 12A, 12B, 12C zu messen ist, ist eine Auswahleinheit 81 vorhanden. Sie sendet Signale, sodass einer der Schalter 91, 92, 93 eingeschaltet ist und eines der Sicherheitselemente 12A, 12B, 12C gemessen wird. Die Schalter sind bevorzugt Transistoren. Alternativ kann eine gewünschte Kombination von Sicherheitselementen 12 gemessen werden, um die Anzahl der Messschritte zu minimieren und die Sicherheit nicht zu verkomplizieren. Das multiple simultane Messen wird im Rahmen dieser Anwendung als Messen des tatsächlichen Werts des ersten Sicherheitselements verstanden. Die Auswahleinheit liefert nach einem Messschritt außerdem ein Signal an den Zähler 84, um dessen Ergebnis zu löschen.
Die Auswahleinheit 81 kann Teil des Steuermittels 8 sein. Darüber hinaus kann der Oszillator 86 als der Taktgeber des Halbleiterbauelements 11 ausgeführt sein. In diesem Fall kann er in den Messmitteln 4 fehlen, und sein Signal kann über das Steuermittel 8 an den Zähler 84 gesendet werden. Um tatsächliche Werte und Referenzwerte zu erhalten, die ausreichend präzise sind, dass die Differenz zwischen ihnen kleiner als ein Schwellenwert von 3 bis 5% ist, werden die Oszillatoren 82, 86 so eingestellt, dass sie bis auf 1% genau sind. Dies erfolgt auf eine übliche dem Fachmann bekannte Weise und bevorzugt durch eine geeignete Auslegung.
Es wird bevorzugt, dass das Sicherheitselement 12C ein Referenzelement ist, dessen tatsächlicher Wert bekannt ist. Dies kann zum Beispiel durch Implementierung dieses Elements 12C in der Verbindungsstruktur erreicht werden, insbesondere, wenn die Passivierungsstruktur 50 eine Sicherheitsschicht 53 mit inhomogen verteilten Teilchen umfasst. Dieses Referenz-Sicherheitselement 12C kann zum Optimieren der Messergebnisse und für eine mögliche Ableitung tatsächlicher Werte aus den Ergebnissen des Binärzählers 84 verwendet werden.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Messmittel 4 des Halbleiterbauelements 11, die größtenteils identisch mit der ersten Ausführungsform ist. In diesem Fall ist ein zweiter Oszillator 94 mit Widerstand 95 vorgesehen sowie ein Schalter 96. Die Auswahleinheit 81 wählt hier nicht nur das zu messende Sicherheitselement 12A, 12B, 12C aus, sondern auch den Oszillator 82, 94, mit dem das Sicherheitselement 12A, 12B, 12C zu messen ist. Da die Oszillatoren 82, 94 unterschiedlich bemessen sind, unterscheiden sich auch ihre Frequenzen. Daher kann die Ausführungsform die Impedanz bei zwei Frequenzen messen. Bevorzugt werden die sich ergebenden tatsächlichen Werte beide gespeichert. Diese Werte können dann in einem Komparator miteinander verglichen werden, der funktionell hinter dem Binärzähler 84 platziert ist.
8 ist ein vereinfachter Schaltplan einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements 11, der ein Array von Sicherheitselementen zusammen mit Messmitteln 4 und einem Speicher 7 zeigt. Das Halbleiterbauelement 11 umfasst eine aktive matrixadressierte Sensierfläche 10, die ein X-Y-Array von Sicherheitselementen 12 aufweist, bestehend aus r Zeilen (1 bis r) mit c Sicherheitselementen 12 in jeder Zeile. Aus Vereinfachungsgründen sind nur einige Zeilen und Spalten gezeigt. Die Sicherheitselemente 12 dieser Ausführungsform sind Kondensatoren mit einer ersten Elektrode 14 und einer zweiten Elektrode (nicht gezeigt). Diese zweiten Elektroden sind mit einer Masseebene verbunden (ebenfalls nicht gezeigt). Die erste Elektrode 14 ist mit einer aktiven Vorrichtung verbunden, die in dieser Ausführungsform eine dreipolige Schaltvorrichtung 16 in Form eines Feldeffekttransistors (FET) umfasst. Das X-Y-Array der Sicherheitselemente 12 wird über Sätze von Zeilen-(Auswahl-) und Spalten-(Sensier-)Adressleitern 18 beziehungsweise 20 adressiert. Die Steuerelektrode und Quelle des FET 16 eines Sicherheitselements 12 sind mit einem Zeilenleiter 18 beziehungsweise einem Spaltenleiter 20 verbunden. Die Drainelektrode des FET ist mit der ersten Elektrode 14 verbunden. Sämtliche Sicherheitselemente 12 in derselben Zeile sind mit einem entsprechenden gemeinsamen Zeilenleiter 20 verbunden. Die Zeilenleiter 18 sind an ihrem einen Ende mit einer Zeilentreiberschaltung verbunden, im Allgemeinen mit 22 bezeichnet, und die Zeilenleiter 20 sind an ihrem einen Ende mit Messmitteln verbunden, zum Beispiel der Sensierschaltung 4.
Das Sensieren der Kapazitätsvariationen der verschiedenen Sicherheitselemente 12 in dem Array wird wie folgt erreicht. Jedes Sicherheitselement 12 wird durch zugehörige Zeilen-(Auswahl-) und Spalten-(Sensier-)Adressleiter 18 beziehungsweise 20 adressiert. Ein von der Zeilentreiberschaltung 22 an einen Zeilenleiter 18 angelegter Torimpuls schaltet die FETs 16 sämtlicher Sicherheitselemente 12 in der zu dem Zeilenleiter gehörenden Zeile von Elementen ein. Eine Versorgungsspannung von zum Beispiel 1,5 V wird gleichzeitig von der Schaltung, das heißt den Messmitteln 4, an sämtliche Spaltenleiter 20 angelegt, sodass bei Einschalten der FETs 16 die Kondensatoren (das heißt die Sicherheitselemente 12) dieser Reihe auf das Potenzial der Spaltenleiter geladen werden. Der Ladestrom für die Kondensatoren fließt die Spaltenleiter 20 hinauf und wird von einem zugehörigen Verstärker in den Messmitteln 4 sensiert. Die Größe der in jeden Kondensator fließenden Ladung hängt von der Größe des Kondensators ab. Daher kann durch Messen der Ladeströme in jedem Spaltenleiter 20 die Größe eines jeden Kondensators abgeschätzt werden. Diese Prozedur wird nacheinander für jede Zeile von Sicherheitselementen des Arrays wiederholt.
Die Messmittel 4 können verschiedene Konfigurationen aufweisen, wie beispielsweise eine Stromsensierschaltungskonfiguration und eine Ladungsverstärkerschaltungskonfiguration. Derartige Schaltungskonfigurationen sind zum Beispiel aus der US 5,325,442 bekannt und brauchen nicht weiter offenbart zu werden.
Die Ausgangsinformation der Messmittel 4 wird von den tatsächlichen Werten der Impedanzen der Sicherheitselemente 12 gebildet. Diese Ausgangsinformation ist bevorzugt ein digitales Signal. Dementsprechend wird ersichtlich sein, dass der Speicher im Allgemeinen der herkömmlichen Praxis folgt, wie für Fachleute erkennbar sein wird, und dass eine detaillierte Beschreibung dieser Bauteile daher als überflüssig betrachtet wird. Kurz gesagt, wird die Ausgangsinformation an einen Mikroprozessor 25 übertragen. Nach einer möglichen Analyse der Ausgangsinformation speichert der Mikroprozessor 25 im Fall eines Initialisierungslaufs die Ausgangsinformation als Referenzwerte in dem Speicher 7, der eine Mehrzahl von Speicherelementen umfasst, welche die Mehrzahl von Sicherheits elementen 12 begleiten. Im Fall eines Laufs zur Prüfung der Authentizität wirkt der Mikroprozessor 25 als eine Lesesteuerung zum Auslesen der Referenzwerte aus den Speicherelementen. Diese Werte werden miteinander verglichen. Das Ergebnis wird, bevorzugt zusammen mit dem tatsächlichen Wert und/oder dem Referenzwert, an eine Zugangsvorrichtung 2 gesendet, zum Beispiel einen Kartenleser.
9 zeigt schematisch ein System aus der Karte 1, der Zugangsvorrichtung 2 und einer zentralen Datenbankvorrichtung 3. Wenn eine Karte 1 in der Zugangsvorrichtung 2 erkannt wird, nimmt die Zugangsvorrichtung 2 in dieser Ausführungsform die Kommunikation mit der Karte 1 auf. Eine derartige Kommunikation kann auf kontaktlose Weise oder mit Kontakt erfolgen, wobei dem Fachmann beide Varianten bekannt sind. Nach Aufnahme der Kommunikation liefert die Zugangsvorrichtung ein Signal an die Karte 1 und insbesondere an das auf dieser vorhandene Halbleiterbauelement 11, um tatsächliche Werte der Impedanzen der Sicherheitselemente 12 zu erhalten und um diese mit den Referenzwerten in den entsprechenden Speicherelementen 7 zu vergleichen. Daraufhin vergleicht das Halbleiterbauelement diese tatsächlichen Werte und Referenzwerte. Anschließend überträgt es die Differenz zwischen diesen sowie die Referenzwerte an die Zugangsvorrichtung 2. Diese Zugangsvorrichtung 2 kann die Authentizität des Halbleiterbauelements anerkennen, wenn die Differenzen kleiner als ein vordefinierter Schwellenwert sind, der zum Beispiel annähernd etwa 3 bis 5% beträgt. Als Folge kann sie den Zugang gewähren. Alternativ kann sie den eindeutigen Chip-Kenncode aus einer zentralen Datenbankvorrichtung 3 auslesen. Die tatsächlichen Werte werden dann mit dem eindeutigen Chip-Kenncode verglichen. Sind diese im Wesentlichen gleich, wird die Authentizität des Halbleiterbauelements 11 anerkannt. Es bleibt zu entscheiden, ob der Vergleich mit dem eindeutigen Chip-Kenncode für jedes Halbleiterbauelement 11 vorgenommen wird. Zum Beispiel könnte entschieden werden, dass dies nur notwendig ist, wenn das Halbleiterbauelement 11 von der Zugangsvorrichtung 2 über einen bestimmten Zeitraum nicht anerkannt wurde. Die Information darüber, wann das Halbleiterbauelement 11 zuletzt anerkannt wurde, wird in diesem Fall gespeichert, und zwar bevorzugt in der Zugangsvorrichtung 2. Abhängig von der konkreten Situation kann die zentrale Datenbankvorrichtung 3 außerhalb oder innerhalb der Zugangsvorrichtung 2 vorhanden sein. Außerdem können einige Informationen der zentralen Datenbankvorrichtung in einem lokalen Speicher gespeichert werden. Darüber hinaus können anstelle der Ausführungsform, bei der die Differenzen zwischen den jeweiligen tatsächlichen Werten und Bezugswerten in dem Halbleiterbauelement 11 berechnet werden, sowohl die tatsächlichen Werte als auch die Bezugswerte an die Zugangsvorrichtung 2 übertragen werden. Außerdem ist es möglich, dass nicht alle tatsächlichen Werte gemessen werden, sondern nur einige von ihnen. Wenn sich herausstellt, dass die Differenz zwischen tatsächlichen Werten und Referenzwerten in dieser teilweisen Messung im Wesentlichen gleich Null ist, kann auf die Messung der Impedanzen der übrigen Sicherheitselemente 12 unter bestimmten Bedingungen verzichtet werden.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement umfasst eine Schaltung, die mit einer Passivierungsstruktur bedeckt ist. Sie ist mit einem ersten Sicherheitselement versehen, das einen lokalen Bereich der Passivierungsstruktur umfasst und eine erste Impedanz aufweist. Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Sicherheitselementen vorhanden, deren Impedanzen sich unterscheiden. Das Halbleiterbauelement umfasst weiterhin Messmittel zum Messen eines tatsächlichen Werts der ersten Impedanz und einen Speicher, umfassend ein erstes Speicherelement zum Speichern des tatsächlichen Werts als einen ersten Referenzwert in dem ersten Speicherelement.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann durch ein Verfahren initialisiert werden, bei dem der tatsächliche Wert als der erste Referenzwert gespeichert wird. Seine Authentizität kann durch Vergleich des wiederum gemessenen tatsächlichen Werts mit dem ersten Referenzwerts geprüft werden.

Claims

Halbleiterbauelement (11), versehen mit einer Schaltung, umfassend ein aktives Element (33, 34), wobei die Schaltung auf einer Seite (32) eines Substrats (31) vorhanden ist und mit einer Passivierungsstruktur (50) bedeckt ist, wobei das Halbleiterbauelement (11) weiterhin versehen ist mit einem ersten Sicherheitselement (12A), das eine erste Impedanz aufweist, weiterhin umfassend: – Messmittel (4) zum Messen eines tatsächlichen Werts der ersten Impedanz bei einer ersten Frequenz, – einen Speicher (7), umfassend ein erstes Speicherelement (7A), sodass der tatsächliche Wert entsprechend als ein erster Referenzwert in dem ersten Speicherelement (7A) gespeichert werden kann, wobei: – das erste Sicherheitselement ein Kondensator ist und einen lokalen Bereich der Passivierungsstruktur (50) und eine erste und eine zweite Elektrode (14, 15) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Passivierungsstruktur (50) eine effektive Dielektrizitätskonstante aufweist, die lateral über die Schaltung variiert und eine Passivierungsschicht (52) und eine Sicherheitsschicht (53) umfasst, wobei die Sicherheitsschicht (53) Teilchen umfasst, die inhomogen über die Schaltung verteilt sind, wobei die Passivierungsstruktur (50) auf der Oberseite einer Metallschicht (28) vorhanden ist, – die erste und die zweite Elektrode des ersten Sicherheitselements (12A) in der Metallschicht (28) vorhanden sind, die weiterhin Zwischenverbindungen (48) zur Verbindung mit aktiven Elementen (33, 43) gemäß einer gewünschten Auslegung umfasst.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Elektrode (14, 15) ein Paar verflochtener Elektroden bilden.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sicherheitsschicht strukturiert ist, um Kontaktflächen zu definieren.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sicherheitsschicht ein Keramikmaterial umfasst.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die Teilchen in der Sicherheitsschicht (53) ausgewählt sind aus der Gruppe von TiO₂, TiN, SrTiO₃, BaTiO₃, WO₃ und modifiziertem BaTiO₃.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Bauelement (11) mit einem zweiten Sicherheitselement (12B) versehen ist, das einen lokalen Bereich der Passivierungsstruktur (50) und eine erste und zweite Elektrode (14B, 15B) umfasst und eine zweite Impedanz aufweist, die sich von der ersten Impedanz unterscheidet, und – ein tatsächlicher Wert der zweiten Impedanz von den Messmitteln (4) gemessen und in einem zweiten Speicherelement (7B) des Speichers (7) als ein zweiter Referenzwert gespeichert werden kann.
Halbleiterbauelement (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (4) einen Oszillator (94) zum Messen von tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Impedanz bei einer zweiten Frequenz umfassen.
Karte (1), versehen mit einem Halbleiterbauelement (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Initialisierung eines Halbleiterbauelements (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – ein tatsächlicher Wert der ersten Impedanz des ersten Sicherheitselements (12A) bei einer ersten Frequenz gemessen wird und – der tatsächliche Wert als der erste Referenzwert in dem ersten Speicherelement (7A) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der tatsächliche Werte der ersten Impedanz bei einer zweiten Frequenz gemessen wird und in einem zweiten Speicherelement (7B) als ein zweiter Referenzwert gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Referenzwert an eine zentrale Datenbankvorrichtung (3) übertragen und als ein erstes Zeichen eines eindeutigen Chip-Kenncodes verwendet wird.
Verfahren zur Prüfung der Authentizität eines Halbleiterbauelements (11) nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterbauelement (11) initialisiert wurde, um einen ersten Referenzwert in dem ersten Speicherelement (7A) zu speichern, umfassend die folgenden Schritte: – Messen des tatsächlichen Werts der ersten Impedanz bei einer ersten Frequenz, – Lesen des ersten Referenzwerts, – Vergleichen des ersten Referenzwerts mit dem tatsächlichen Wert und – Anerkennen der Authentizität des Halbleiterbauelements (11) ausschließlich dann, wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert und dem ersten Referenzwert kleiner als ein vordefinierter Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das Halbleiterbauelement (11) durch ein Verfahren nach Anspruch 10 initialisiert wurde und – der tatsächliche Wert der ersten Impedanz bei einer zweiten Frequenz gemessen und mit dem zweiten Referenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, weiterhin umfassend die folgenden Schritte: – Übertragen des ersten Referenzwerts von dem Halbleiterbauelement (11) an eine Zugangsvorrichtung (2), die eine zentrale Datenbankvorrichtung (3), in der ein erstes Zeichen eines eindeutigen Chip-Kenncodes gespeichert ist, umfasst oder Zugang zu dieser hat, wobei das erste Zeichen die Identität des Halbleiterbauelements (11) darstellt und dem ersten Referenzwert bei der Initialisierung des Halbleiterbauelements (11) entspricht, – Vergleichen des ersten Referenzwerts mit dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes und – Anerkennen der Authentizität des Halbleiterbauelements (11) ausschließlich dann, wenn der erste Referenzwert dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes entspricht.
Verfahren zur Identifizierung eines Halbleiterbauelements (11) nach Anspruch 1, wobei das Bauelement initialisiert wurde, um einen ersten Referenzwert in dem ersten Speicherelement (7A) zu speichern, umfassend die folgenden Schritte: – Lesen des ersten Referenzwerts, – Übertragen des ersten Referenzwerts von dem Halbleiterbauelement (11) an eine Zugangsvorrichtung (2), die eine zentrale Datenbankvorrichtung (3), in der ein erstes Zeichen eines eindeutigen Chip-Kenncodes gespeichert ist, umfasst oder Zugang zu dieser hat, wobei das erste Zeichen die Identität des Halbleiterbauelements (11) darstellt und dem ersten Referenzwert bei der Initialisierung des Halbleiterbauelements (11) entspricht, – Vergleichen des ersten Referenzwerts mit dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes und – Anerkennen der Identität des Halbleiterbauelements (11) ausschließlich dann, wenn der erste Referenzwert dem ersten Zeichen des eindeutigen Chip-Kenncodes entspricht.