EP1444734A1 - Halbleiterchip mit fib-schutz - Google Patents

Halbleiterchip mit fib-schutz

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Publication number
EP1444734A1
EP1444734A1 EP02785047A EP02785047A EP1444734A1 EP 1444734 A1 EP1444734 A1 EP 1444734A1 EP 02785047 A EP02785047 A EP 02785047A EP 02785047 A EP02785047 A EP 02785047A EP 1444734 A1 EP1444734 A1 EP 1444734A1
Authority
EP
European Patent Office
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dielectric
semiconductor chip
chip according
fib
conductivity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02785047A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Ungar
Günter Schmid
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W42/00—Arrangements for protection of devices
    • H10W42/40—Arrangements for protection of devices protecting against tampering, e.g. unauthorised inspection or reverse engineering
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W74/00—Encapsulations, e.g. protective coatings
    • H10W74/40—Encapsulations, e.g. protective coatings characterised by their materials
    • H10W74/47—Encapsulations, e.g. protective coatings characterised by their materials comprising organic materials, e.g. plastics or resins
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P14/00—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars
    • H10P14/60—Formation of materials, e.g. in the shape of layers or pillars of insulating materials
    • H10P14/68—Organic materials, e.g. photoresists
    • H10P14/683—Organic materials, e.g. photoresists carbon-based polymeric organic materials, e.g. polyimides, poly cyclobutene or PVC

Definitions

  • the present invention relates to securing a chip against FIB attacks (focused ion beam), in particular for use with chip cards.
  • the semiconductor chips that are in smart cards, such. B. cash cards, phone cards and the like, are exposed to attacks to decrypt the memory contents of the chip or their functions.
  • FIB technology is often used, in which a focused ion beam is directed onto the chip. The impact of the ions removes the layers of the semiconductor chip, so that the structure of the chip can be examined in layers.
  • a full-surface metal layer offers passive protection.
  • Polymers with extensive ⁇ systems are the basis for organic semiconductors. Such dielectrics can therefore be regarded as organic semiconductors with extremely low charge carrier mobility.
  • the ohmic conductivity of the dielectric based on polymers with extended ⁇ systems increases by orders of magnitude.
  • the dielectrics with extensive ⁇ systems are mainly polyaromatics, as are described, for example, in WO 97/10193 and WO 98/11149, polyimides, polybenzoxazoles, polyimidazoles or polyethers. Further heteroatoms such as sulfur can occur in the polymer backbone.
  • DE 100 44 837 C1 describes a circuit arrangement for detecting an unwanted attack, especially with an FIB, on an integrated circuit, in which a clock signal is applied to a signal line.
  • Bits are used, the signal line and the line pair being connected between two circuit blocks of the integrated circuit are connected to a detector circuit which changes the function of the integrated circuit as a function of the signals of the signal line and of the line pair.
  • EP 1 109 220 A2 and IBM Technical Disclosure Bulletin 34, 366 (1992) specify polybenzoxazole or polyimide as the dielectric material for electrical insulation or passivation on semiconductor components.
  • the object of the present invention is to provide a semiconductor chip with FIB protection which can be used universally.
  • a conductor structure is embedded in a dielectric which has the property of forming an electrical conductivity by introducing ions (doping), which is sufficient for a circuit-technical connection of the conductors.
  • ions dielectrics which have extensive ⁇ systems, ie contain many aromatics or hetero aromatics. If such a dielectric is irradiated with ions, its electrical conductivity increases such that the electronic circuit integrated in the chip creates the electrical connection produced in this way between the conductors adjacent to the dielectric. tracks can determine. In this case, an FIB attack can be assumed.
  • FIG. 1 shows a diagram of an example of a semiconductor chip according to the invention.
  • Figures 2 to 16 show examples of chemical structural formulas of the dielectrics used or their components.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a semiconductor chip is shown schematically in FIG.
  • a dielectric layer 2 made of such a material is applied to a semiconductor body or a substrate 1, on or in which electronic circuit components are integrated, in which the conductors 3 are arranged as conductor tracks.
  • the conductors preferably as conductor tracks, can be arranged above and below the dielectric layer. Examples of suitable dielectric materials are shown in FIGS. 2 to 16. Cross-linked aromatic hydrocarbons are particularly preferred.
  • the introduced ions lead to a doping of the dielectric material in the region of the radiation.
  • the dielectric material becomes electrically conductive in the vicinity of the irradiation and establishes an electrical connection between the adjacent conductors 3.
  • a suitable circuit logic in the semiconductor chip can be provided to detect an increase in the conductivity of the material between the conductor tracks, to report it or to initiate possible countermeasures.
  • the dielectrics suitable for this and specified in detail below have the property that they receive an irreversible ohmic conductivity when a small dose of ions is introduced. If the energy supply is so great that the chemical compound itself is destroyed, graphite remains. This applies to all organic materials at sufficiently high temperatures in a vacuum, unless they are exposed to atmospheric oxygen and burn. This means that the functionality of the integrated circuit can be permanently impaired or destroyed in the event of an FIB attack.
  • the dielectric compounds which can be used according to the invention are firstly the chemical compounds with the composition shown in FIG. 2.
  • Ar is in each case an aromatic group which can also have one or more inert substituents.
  • Inert here means that the substituent does not undergo any reaction or at least does not have a significant and disadvantageous effect on the properties of the compound formed therewith and remains inert, in particular in a subsequent polymerization and to solvents used in the process.
  • Each individual R is independent of the remaining R hydrogen, an alkyl or an aryl; L is a covalent bond or group that connects one Ar to another Ar; n and m are integers greater than one; q is a positive integer.
  • the polybenzoxazoles or the polyimides from FIG. 6 can also occur as component Ar.
  • Examples of the groups that can be contained in the independent ⁇ systems ⁇ and ⁇ 2 are shown in FIG.
  • Ar 1 is a reaction radical composed of (C ⁇ C-) n Ar or Ar (-C ⁇ C) m ; each individual R is independent of the other R's hydrogen, an alkyl or an aryl; L is a covalent bond or group that is a Connects Ar to another Ar; n and m are integers greater than one.
  • Special structural formulas that replace the formula in FIG. 3 are shown in FIG.
  • the structural formula of FIG. 3 can be combined with the structural formula of FIG. 4 to form a copolymer. The same substitutions are again possible for the symbols and indices as given above.
  • component A has the structure shown in FIG. 8 and component B has the structure shown in FIG. 9, and component EG u comprises one or more of the structures shown in FIG. R 1 and R 2 are independently of one another H or an aromatic radical which has no substitution or an inert substituent (for example selected from the structures shown in FIG. 11, where Z represents one of the following: O, S, alkylene, CF. 2 , CH 2 , 0-CF 2 , perfluoroalkyl, perfluoroalkoxy or a structure from FIG.
  • R 3 is each independently H, CH 3 , CH 2 CH 3 , (CH 2 ) 2 CH 3 or phenyl and Ph phenyl );
  • a specific embodiment of the semiconductor chip provides for a 500 nm thick layer of a dielectric based on a polyaromatic to be applied and cured. Trenches lying next to one another with a width of 250 nm, a distance of 200 nm and a length of 1 mm are etched out in this dielectric using a hard mask by means of a reactive ion plasma. After depositing a starting layer made of TiN and copper, it is galvanically reinforced and excess copper is removed using CMP (chemical mechanical polishing).
  • CMP chemical mechanical polishing

Landscapes

  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Abstract

Bei dem Halbleiterchip wird eine Leiterstruktur mit einem Dielektrikum verbunden, das die Eigenschaft besitzt, durch Einbringen von Ionen eine elektrische Leitfähigkeit auszubilden, die für eine schaltungstechnische Verbindung der Leiter ausreicht. Wenn ein solches Dielektrikum mit Ionen bestrahlt wird, erhöht sich dessen elektrische Leitfähigkeit so, dass die in dem Chip (1) integrierte elektronische Schaltung die auf diese Weise erzeugte elektrische Verbindung zwischen den an das Dielektrikum (2) angrenzenden Leitern (3) feststellen kann. Geeignet sind organische Materialien mit pi-Elektronensystem.

Description

Beschreibung
Halbleiterchip mit FIB-Schutz
Die vorliegende Erfindung betrifft die Sicherung eines Chips gegen FIB-Angriffe (focused ion beam) , insbesondere zur Verwendung bei Chipkarten.
Die Halbleiterchips, die in Chipkarten, wie z. B. Geldkarten, Telefonkarten und dergleichen, eingesetzt sind, sind Angriffen zur Entschlüsselung der Speicherinhalte des Chips oder deren Funktionen ausgesetzt. Dabei wird häufig die FIB-Tech- nologie eingesetzt, bei der ein fokussierter Ionenstrahl auf den Chip gerichtet wird. Der Aufprall der Ionen trägt die Schichten des Halbleiterchips ab, so dass die Struktur des Chips schichtweise untersucht werden kann. Einen passiven Schutz dagegen bietet eine vollflächige Metalllage.
Polymere mit ausgedehnten π-Systemen sind die Basis für orga- nische Halbleiter. Solche Dielektrika können daher als organische Halbleiter mit einer äußerst geringen Ladungsträgerbeweglichkeit betrachtet werden. Die ohmsche Leitfähigkeit der Dielektrika auf der Basis von Polymeren mit ausgedehnten π- Systemen erhöht sich bei Dotierung um Größenordnungen.
Als Dielektrika mit ausgedehnten π-Systemen werden vor allem Polyaromaten, wie sie beispielsweise in der WO 97/10193 und der WO 98/11149 beschrieben werden, Polyimide, Polybenzoxazo- le, Polyimidazole oder Polyether verwendet. Im Polymer-Back- bone können weitere Heteroatome wie beispielsweise Schwefel auftreten.
Eine Bestrahlung des Dielektrikums mittels Ionen, wie sie bei einer FIB-Analyse durchgeführt wird, führt zu einer lokalen Erhöhung der ohmschen Leitfähigkeit um Größenordnungen. Hierbei wird das Dielektrikum irreversibel dotiert. In der DE 100 44 837 Cl ist eine Schaltungsanordnung zum De- tektieren eines unerwünschten Angriffs, speziell auch mit FIB, auf eine integrierte Schaltung beschrieben, bei der eine Signalleitung mit einem Taktsignal beaufschlagt wird. Die Si- gnalleitung und ein Leitungspaar, das zur Codierung eines
Bits dient, wobei die Signalleitung und das Leitungspaar zwischen zwei Schaltungsblöcken der integrierten Schaltung verschaltet sind, sind mit einer Detektorschaltung verbunden, die in Abhängigkeit von den Signalen der Signalleitung und von dem Leitungspaar die integrierte Schaltung in ihrem Funktionsablauf ändert.
In EP 1 109 220 A2 und in IBM Technical Disclosure Bulletin 34, 366 (1992) sind Polybenzoxazol beziehungsweise Polyimid als dielektrisches Material zur elektrischen Isolation beziehungsweise Passivierung auf Halbleiterbauelementen angegeben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterchip mit FIB-Schutz anzugeben, der universell einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei einem Halbleiterchip ist eine Leiterstruktur in ein Dielektrikum eingebettet, das die Eigenschaft besitzt, durch Einbringen von Ionen (Dotierung) eine elektrische Leitfähigkeit auszubilden, die für eine schaltungstechnische Verbindung der Leiter ausreicht. Dabei handelt es sich um Dielek- trika, die ausgedehnte π-Systemen besitzen, d. h. viele Aro- maten bzw. Heteroaromaten enthalten. Wenn ein solches Dielektrikum mit Ionen bestrahlt wird, erhöht sich dessen elektrische Leitfähigkeit so, dass die in dem Chip integrierte elektronische Schaltung die auf diese Weise erzeugte elektrische Verbindung zwischen den an das Dielektrikum angrenzenden Lei- terbahnen feststellen kann. In diesem Fall kann ein FIB- Angriff unterstellt werden.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfindungsgemäßen Halbleiterchips anhand der beigefügten Figuren. Die Figur 1 zeigt ein Schema eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiterchips.
Die Figuren 2 bis 16 zeigen beispielhaft chemische Strukturformeln der verwendeten Dielektrika oder deren Komponenten.
In der Figur 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterchips dargestellt. Es sind elektrische Leiter vorhanden, zwischen denen ein Dielektrikum aus einem organischen Material mit mindestens einem π-System vorhanden ist. Bei dem Beispiel der Figur 1 ist auf einem Halbleiterkörper oder einem Substrat 1, auf bzw. in dem elektronische Schaltungskomponenten integriert sind, eine dielektrische Schicht 2 aus einem solchen Material aufgebracht, in der die Leiter 3 als Leiterbahnen angeordnet sind. Statt dessen können die Leiter, vorzugsweise als Leiterbahnen, über und unter der dielektrischen Schicht angeordnet sein. Beispiele geeigneter dielektrischer Materialien sind in den Figuren 2 bis 16 dargestellt. Besonders bevorzugt sind vernetzte aromatische Kohlenwasserstoffe .
Wenn auf die dielektrische Schicht 2 ein fokussierter Ionenstrahl gerichtet wird, führen die eingebrachten Ionen zu einer Dotierung des dielektrischen Materiales im Bereich der Einstrahlung. Das dielektrische Material wird in der Umgebung der Einstrahlung elektrisch leitend und stellt eine elektrische Verbindung zwischen den angrenzenden Leitern 3 her. Eine geeignete Schaltungslogik in dem Halbleiterchip kann dafür vorgesehen sein, eine Erhöhung der Leitfähigkeit des Materials zwischen den Leiterbahnen zu detektieren, zu melden oder eventuelle Gegenmaßnahmen einzuleiten. Die hierfür geeigneten und weiter unten im Einzelnen angegebenen Dielektrika haben die Eigenschaft, dass sie bei Einbringen einer geringen Dosis von Ionen eine irreversible ohm- sche Leitfähigkeit erhalten. Wird die Energiezufuhr so groß, dass die chemische Verbindung an sich zerstört wird, bleibt Graphit übrig. Das trifft bei ausreichend hohen Temperaturen im Vakuum auf alle organischen Materialien zu, es sei denn, sie werden dem Luftsauerstoff ausgesetzt und verbrennen. Damit kann in jedem Fall die Funktionsfähigkeit der integrier- ten Schaltung im Fall eines FIB-Angriffes dauerhaft beeinträchtigt oder zerstört werden.
Als erfindungsgemäß einsetzbare Dielektrika kommen zunächst die chemischen Verbindungen mit der in der Figur 2 darge- stellten Zusammensetzung in Frage. Darin ist Ar jeweils eine aromatische Gruppe, die auch einen oder mehrere inerte Sub- stituenten aufweisen kann. Inert heißt hier, dass der Substi- tuent keine Reaktion eingeht oder sich zumindest auf die Eigenschaften der damit gebildeten Verbindung nicht wesentlich und nachteilig auswirkt und insbesondere in einer nachfolgenden Polymerisation und gegenüber dabei verwendeten Lösungsmitteln inert bleibt. Jedes einzelne R ist unabhängig von den übrigen R Wasserstoff, ein Alkyl oder ein Aryl; L ist eine kovalente Bindung oder eine Gruppe, die ein Ar mit einem an- deren Ar verbindet; n und m sind ganze Zahlen größer als eins; q ist eine positive ganze Zahl.
Als Komponente Ar können auch die Polybenzoxazole oder die Polyimide aus der Figur 6 auftreten. Beispiele für die Grup- pen, die in den unabhängigen π-Systemen π und π2 enthalten sein können, sind in der Figur 7 dargestellt.
Außerdem kommen als Dielektrika Polymere in Frage, die eine Struktur gemäß Figur 3 aufweisen. Darin ist Ar1 ein Reakti- onsrest aus (C≡C-)nAr oder Ar(-C≡C)m; jedes einzelne R ist unabhängig von den übrigen R Wasserstoff, ein Alkyl oder ein Aryl; L ist eine kovalente Bindung oder eine Gruppe, die ein Ar mit einem anderen Ar verbindet; n und m sind ganze Zahlen größer als eins. Spezielle Strukturformeln, die an die Stelle der Formel der Figur 3 treten, sind in der Figur 5 dargestellt. Die Strukturformel der Figur 3 kann mit der Struktur- formel der Figur 4 zu einem Copolymer verbunden werden. Für die Symbole und Indizes sind wieder dieselben Ersetzungen möglich, wie vorstehend angegeben.
Weitere Beispiele sind Oligomere und Polymere der allgemeinen Formel [A] w [B] z [EG] v. Darin hat die Komponente A die in der Figur 8 angegebene Struktur und die Komponente B die in der Figur 9 angegebene Struktur, und die Komponente EG u fasst eine oder mehrere der in der Figur 10 angegebenen Strukturen. Darin sind R1 und R2 unabhängig voneinander H oder ein sub- stitutionsloser oder einen inerten Substituenten aufweisender aromatischer Rest (zum Beispiel ausgewählt aus den in der Figur 11 aufgeführten Strukturen, wobei Z für eins der folgenden steht: O, S, alkylen, CF2, CH2, 0-CF2, perfluoroalkyl, perfluoroalkoxy oder eine Struktur aus der Figur 12, wobei R3 jeweils unabhängig voneinander H, CH3, CH2CH3, (CH2)2CH3 oder phenyl und Ph phenyl ist) ; Ar1, Ar2 und Ar3 sind unabhängig voneinander ein substitutionsloser oder einen inerten Substituenten aufweisender aromatischer Rest (zum Beispiel ebenfalls ausgewählt aus den in der Figur 11 aufgeführten Struk- turen) , M ist eine Bindung, y ist eine ganze Zahl größer als zwei, p ist die Anzahl der Acetylengruppen in der betreffenden Mer-Einheit, die keine Reaktion eingegangen sind, r ist um eins niedriger als die Anzahl der Acetylengruppen in der betreffenden Mer-Einheit, die eine Reaktion eingegangen sind, p+r=y-l, w und z sind jeweils eine ganze Zahl von 0 bis 1000 und v ist eine ganze Zahl größer als eins.
Weitere Beispiele sind die in der Figur 13 aufgeführten Formeln von Polyphenylenoligomeren und Polyphenylenpolymeren, in denen die Abkürzungen die oben angegebenen Bedeutungen haben und x eine ganze Zahl von 1 bis 1000 ist, sowie die in der Figur 14 aufgeführten Polyphenylenoligomere und Polyphenylen- polymere, in denen Ar4 aus denselben Strukturen ausgewählt werden kann, die oben zu Ar1, Ar2 und Ar3 angegeben wurden, und x ebenfalls eine ganze Zahl von 1 bis 1000 ist.
Weitere Beispiele sind die in der Figur 15 aufgeführten Poly- phenylenoligomere und Polyphenylenpoly ere, bei denen EG für eine der in der Figur 16 dargestellten Strukturen steht und die Abkürzungen dieselbe Bedeutung wie in den vorhergehenden Beispielen haben.
Eine konkrete Ausgestaltung des Halbleiterchips sieht vor, eine 500 nm dicke Schicht eines Dielektrikums auf der Basis eines Polyaromaten aufzubringen und auszuhärten. In diesem Dielektrikum werden nebeneinander liegende Gräben mit einer Breite von 250 nm, einem Abstand von 200 nm, und einer Länge von 1 mm unter Verwendung einer Hartmaske mittels eines reaktiven Ionenplasmas ausgeätzt. Nach dem Abscheiden einer Startlage aus TiN und Kupfer wird galvanisch verstärkt und überschüssiges Kupfer mittels CMP (chemical mechanical poli- shing) entfernt.
Elektrische Messungen an einem hergestellten Exemplar dieses Ausführungsbeispiels zeigten keine nennenswerte ohmsche Leitung zwischen den Leiterbahnen. Das Dielektrikum wurde in ei- nem FIB-Gerät Galliumionen mit einer Beschleunigungsspannung von 50 keV ausgesetzt. Danach wurde eine Erniedrigung des Widerstandes zwischen den Leiterbahnen beobachtet. Eine Beschleunigungsspannung von 30 keV wäre bereits ausreichend gewesen. Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 Dielektrikum 3 Leiter

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterchip mit FIB-Schutz, der umfasst : eine integrierte elektronische Schaltung und mindestens zwei durch ein Dielektrikum (2) voneinander getrennte elektrische Leiter (3) , die an die Schaltung angeschlossen sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Dielektrikum ein Material ist, das durch Einbringen von Ionen eine elektrische Leitfähigkeit erhält, die für eine schaltungstechnische Verbindung der Leiter ausreicht, und die Schaltung eine Erhöhung der Leitfähigkeit des Dielektrikums detektiert, um einen FIB-Angriff festzustellen.
2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, bei dem das Dielektrikum dafür vorgesehen ist, die besagte Leitfähigkeit unter Einwirkung eines im Rahmen einer FIB-Technik eingesetzten fokussierten Ionenstrahls auszubilden.
3. Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Dielektrikum ein organisches Material mit mindestens einem π-System ist.
4. Halbleiterchip nach Anspruch 3, bei dem das organische Material ein Polyimid oder ein Polyaromat ist.
5. Halbleiterchip nach Anspruch 3, bei dem das organische Material ein Polybenzoxazol ist .
6. Halbleiterchip nach Anspruch 3, bei dem das Dielektrikum eine chemische Verbindung mit einer Struktur gemäß Figur 2 ist.
7. Halbleiterchip nach Anspruch 3, bei dem das Dielektrikum ein Polymer aus chemischen Verbindungen mit der in der Figur 3 dargestellten Struktur oder ein Copolymer aus chemischen Verbindungen der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Strukturen ist.
8. Halbleiterchip nach Anspruch 7, bei dem das Dielektrikum ein Polymer oder Copolymer aus chemischen Verbindungen ist, die jeweils eine der in der Figur 5 dargestellten Strukturen aufweisen.
9. Halbleiterchip nach Anspruch 3, bei dem das Dielektrikum [A] w [B] z [EG] v mit den in den Figuren 8, 9 und 10 wiedergegebenen Komponenten ist.
10. Halbleiterchip nach Anspruch 3, bei dem das Dielektrikum ein Polyphenylenoligomer oder ein Polypheny- lenpolymer gemäß einer der Figuren 13, 14 oder 15 ist.
EP02785047A 2001-11-14 2002-10-21 Halbleiterchip mit fib-schutz Withdrawn EP1444734A1 (de)

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