DE10251317A1

DE10251317A1 - Halbleiterchip

Info

Publication number: DE10251317A1
Application number: DE10251317A
Authority: DE
Inventors: Harald Gundlach; Guenter Schmid
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: DE10251317B4

Abstract

Bei dem Halbleiterchip ist auf einer ersten Hauptseite (1) mit einer integrierten Schaltung (IC) oberseitig ein elektrischer Leiter (2) angebracht, der mit dieser Schaltung verbunden ist. Ein weiterer elektrischer Leiter (3) ist auf der Rückseite (4) vorhanden und über an einer Seite des Halbleiterchips vorhandene elektrisch leitende Verbindungen (5) mit dem Leiter auf der Oberseite verbunden. Die integrierte Schaltung ist dafür vorgesehen, eine Veränderung oder Unterbrechung der damit verbundenen elektrischen Leiter infolge unerwünschter Manipulationen festzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterchip mit einer Schutzstruktur, mit der ein Ausspionieren der integrierten Schaltung verhindert werden soll. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Erweiterung der Versiegelung von Smart-Card-Prozessoren.
Bei der Verwendung von Halbleiterchips in sicherheitsrelevanten Bereichen, insbesondere für Smart-Cards, ist es erforderlich, dass der Chip gegen ein Ausspionieren der Schaltung geschützt ist. Dafür gibt es eine Reihe von Vorschlägen, die darin bestehen, eine mit einer Schaltung versehene Oberseite des Halbleiterchips irgendwie abzudecken und gegebenenfalls ein Entfernen dieser Abdeckung durch die Schaltung zu detektieren. Damit kann erkannt werden, ob die Schaltung als solche unversehrt ist, nicht jedoch, ob ein den Halbleiterchip umgebendes Gehäuse beschädigt oder entfernt wurde.
Schutzschichten auf dem Halbleiterchip können auf relativ einfache Weise reproduziert werden oder deren Vorhandensein mit elektronischen Mitteln vorgetäuscht werden. Nachdem das Gehäuse des Halbleiterchips entfernt wurde, insbesondere eine den Halbleiterchip einschließende Vergussmasse entfernt wurde, ist die integrierte Schaltung auch von der Rückseite des Halbleiterchips zugänglich, und zwar durch den Halbleiterkörper bzw. das Substrat. Dagegen schützt keine auf der Vorderseite des Chips aufgebrachte Schutzschicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterchip mit einem wirkungsvollen Schütz gegen ein Ausspionieren der Schaltung anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem Halbleiterchip ist auf einer ersten Hauptseite, die die integrierte Schaltung aufweist, oberseitig ein elektrischer Leiter angebracht, der mit dieser Schaltung verbunden ist. Ein weiterer elektrischer Leiter ist auf der Rückseite vorhanden, d. h. auf der der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite des Halbleiterchips. An einer Seite des Halbleiterchips befindet sich zumindest eine elektrisch leitende Verbindung, die den Leiter auf der Oberseite mit dem weiteren Leiter auf der Rückseite elektrisch leitend verbindet. Die integrierte Schaltung ist dafür vorgesehen, eine Veränderung oder Unterbrechung der damit verbundenen elektrischen Leiter festzustellen.
Damit ist es möglich, festzustellen, ob der Halbleiterchip von der Rückseite her manipuliert, insbesondere beschädigt, wird. Wenn der Halbleiterchip von der Rückseite her bearbeitet wird oder wenn der Halbleiterchip aus seinem Gehäuse entfernt wird, ändern sich die Eigenschaften der an die elektronische Schaltung angeschlossenen Leiter auf den beiden Hauptseiten. Diese Veränderung kann mit der integrierten Schaltung festgestellt werden, so dass auf eine unzulässige Manipulation des Halbleiterchips rückgeschlossen werden kann. Es können dann eventuell geeignete Gegenmaßnahmen vorgesehen werden.
Die weiteren elektrischen Leiter können Bestandteile des Gehäuses des Halbleiterchips sein; sie brauchen daher nicht bereits bei der Herstellung des Halbleiterchips angebracht zu werden. Die elektrischen Leiter auf der Oberseite der ersten Hauptseite des Halbleiterchips können zu den Verdrahtungsebenen der integrierten Schaltung gehören. Statt dessen können diese Leiter auch separat aufgebrachte weitere elektrische Leiter sein, z. B. ein organischer Halbleiter, der beispielsweise ein Polymer umfasst. Wesentlich ist dabei nur, dass diese externen Leiter so mit der integrierten Schaltung elektrisch leitend verbunden sind, dass die Schaltung in der Lage ist, eine Veränderung dieser Leiter festzustellen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, diese Leiter mit weiteren Leitern des Gehäuses zu verbinden; die insgesamt von der integrierten Schaltung überprüfte Leiterstruktur kann daher sehr allgemein und sehr umfassend sein.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Halbleiterchips an Hand der Fig. 1 bis 10.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterchips.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines gehäusten Halbleiterchips.
Die Fig. 3 zeigt eine seitliche Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips.
In den Fig. 4 bis 10 sind weitere Transistorstrukturen im Schema dargestellt.
In der Fig. 1 ist ein Halbleiterchip im Querschnitt dargestellt. Auf dessen erster Hauptseite 1, die eine integrierte Schaltung IC aufweist, ist ein elektrischer Leiter 2 oberseitig angeordnet. Dieser elektrische Leiter 2 kann z. B. eine oberste Metallisierungsebene der Verdrahtung der integrierten Schaltung sein. Der Leiter 2 kann in einer an sich beliebigen Weise zu Leiterbahnen, Anschlusskontakten und dergleichen strukturiert sein. Auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptseite 4 ist ein weiterer elektrischer Leiter 3 angebracht, der bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Einfachheit halber keine nähere Strukturierung aufweist. Der weitere Leiter 3 kann eine bereits auf dem Wafer, aus dem die Halbleiterchips hergestellt werden, aufgebrachte weitere Schicht sein; oder es handelt sich bei diesem weiteren Leiter um eine erst nachträglich aufgebrachte leitende Schicht, z. B. um einen Bestandteil eines Halbleiterchipgehäuses oder auch eine elektrisch leitfähige Klebstoffschicht, mit der der Halbleiterchip auf einem Träger befestigt ist.
Bei dem Halbleiterchip sind die seitlich an dem Halbleiterkörper oder Substrat 6 angeordneten elektrisch leitenden Verbindungen 5 vorgesehen, mit denen die Leiter 2 und die weiteren Leiter 3 miteinander verbunden sind. Diese leitenden Verbindungen 5 können einzelne Leiterstreifen sein oder auch eine den seitlichen Rand des Halbleiterchips rings umgebende Beschichtung mit einem elektrisch leitenden Material. Mit der dargestellten Ausgestaltung ergibt sich somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der integrierten Schaltung IC und einer bis auf die Rückseite des Halbleiterchips reichenden Leiterstruktur. Es ist daher nicht mehr möglich, den Halbleiterchip von einer beliebigen Seite her anzugreifen, um die darin integrierte Schaltung auszuforschen, ohne dass die umgebende Leiterstruktur derart verändert oder unterbrochen wird, dass dies von der integrierten Schaltung ohne weiteres detektiert werden kann. Diese Detektion geschieht in an sich bekannter Weise, indem festgestellt wird, ob die durch die Leiter gebildeten Widerstände, Kapazitäten oder Induktivitäten geändert werden. Die Leiterstruktur kann auch zusätzlich noch elektrische Leiter des Gehäuses umfassen, die ebenfalls über die externen Leiter mit der integrierten Schaltung verbunden sind.
In der Fig. 2 ist ein Gehäusehalbleiterchip dargestellt, bei dem der in der Fig. 1 dargestellte Halbleiterchip auf einem Träger 10 angebracht und in einer mit der gestrichelten Linie angedeuteten Vergussmasse verkapselt ist. Die Komponenten des Halbleiterchips gemäß Fig. 2 entsprechen denen der Fig. 1 und sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der weitere elektrische Leiter 3 ist bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 ein elektrisch leitfähiger Klebstoff, mit dem der Halbleiterchip auf dem Träger 10 angebracht ist. Wenn der Träger 10ebenfalls elektrisch leitend ist, z. B. ein Gehäuserahmen (lead frame), ist dieser Träger in die Leiterstruktur einbezogen, deren Veränderung von der integrierten Schaltung detektiert werden kann. Bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 kann daher bereits festgestellt werden, wenn der Halbleiterchip aus diesem Gehäuse entnommen wird. Es ist hier prinzipiell nicht mehr möglich, den Träger 10 zu entfernen, ohne dass sich die elektrischen Eigenschaften der an die elektronische Schaltung angeschlossenen externen Leiter wesentlich verändern.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Halbleiterchips erhält man, wenn der elektrische Leiter 2 auf der Oberseite der ersten Hauptseite 1 eine ohnehin eigens zum Schutz des Halbleiterchips gegen Ausspionieren vorgesehene Schicht aus einem organischen Halbleiter, insbesondere aus einem Polymer, ist. Im Folgenden wird eine solche Schicht der Einfachheit halber als Polymerschicht bezeichnet. Organische Halbleiter sind im Normalzustand Isolatoren. Eine Stromleitung erfolgt nur dann, wenn das organische Material dotiert wird oder wenn es in einer Umgebung angebracht ist, in der ein Feldeffekt erzeugt wird. Es lassen sich daher mit einem solchen Material Strukturen entsprechend einem Feldeffekttransistor realisieren. p- n-Übergänge sind dagegen kaum realisierbar, da die Dotierungen diffundieren. Nichtlinearitäten können aber auch durch Schottky-Barrieren erzeugt werden, die sich bei einem Metall- Halbleiter-Übergang ausbilden.
Bei dem Halbleiterchip wird vorzugsweise eine leitfähig dotierte Polymerschicht mit elektrisch leitenden Teilen des Gehäuses verbunden und damit bestimmte elektrische Messwerte der Polymerschicht eingestellt. Ein Ausbau des Halbleiterchips aus dem Gehäuse kann durch Überprüfen der Messwerte erkannt werden. Wenn der elektrische Leiter 2 auf der Oberseite des Halbleiterchips eine Polymerschicht ist, sind der weitere Leiter 3 auf der Rückseite und die seitlich auf den Halbleiterchip aufgebrachten Verbindungen 5 vorzugsweise ebenfalls Polymerschichten, die mit der ersten Polymerschicht elektrisch leitend verbunden sind. Auf zusätzliche, aufwendig herzustellende vertikale Durchkontaktierungen durch den Körper des Halbleiterchips hindurch kann verzichtet werden. Die rückseitige Polymerschicht ist beispielsweise elektrisch leitend dotiert.
Bei dem in der Fig. 3 in einer seitlichen Aufsicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die rückseitige Polymerschicht 8 ein Bestandteil einer Transistorstruktur. Als Gate- Elektrode fungiert das Substrat 6, das auf der rückseitigen zweiten Hauptseite 4 mit einer Oxidschicht als Gate-Dielektrikum 7 versehen ist und so von der aufgebrachten Polymerschicht 8 elektrisch isoliert ist. Die Grenzschicht zwischen dem Gate-Dielektrikum 7 und der Polymerschicht 8 bildet den Kanal aus. Es sind ferner ein Source-Kontakt 3a sowie ein Drain-Kontakt 3b vorhanden, die mit jeweiligen elektrischen Anschlussstellen an den Chip, die durch Anteile 2a bzw. 2b eines auf der ersten Hauptseite vorgesehenen Leiters gebildet sind, über die seitlich angeordneten elektrisch leitenden Verbindungen 5 verbunden sind. Seitliche Isolationen 7a können für eine ausreichende elektrische Isolation des Substrates 6 von den leitenden Verbindungen 5 vorgesehen sein. Die leitenden Verbindungen 5 können durch leitend dotierte Polymerschichten, aber auch durch Metallschichten, Metallpasten oder dergleichen gebildet sein.
In den Fig. 4, 5 und 6 sind weitere Transistorstrukturen im Schema dargestellt, die die Transistorstruktur der Fig. 3 ersetzen können und so weitere Ausführungsbeispiele liefern. Die Gate-Elektrode 9 kann durch das Substrat 6 gebildet sein oder gesondert darauf aufgebracht und strukturiert sein. Die Schicht des Gate-Dielektrikums 7 trennt die Gate-Elektrode 9 jeweils von der Polymerschicht 8. Seitlich zu der Gate-Elektrode oder einem als Gate-Elektrode fungierenden Anteil des Substrates sind die für Source und Drain vorgesehenen Kontakte 3a und 3b in Kontakt mit der Polymerschicht 8 aufgebracht.
In den Beispielen der Fig. 4 und 6 ist die Polymerschicht wie in dem Beispiel der Fig. 3 die äußere Schicht des Bauelementes. Eine solche Schicht kann auch durch einen organischen Klebstoff gebildet sein, der dazu benutzt wird, den Chip auf einen Träger, zum Beispiel in ein Chipkartengehäuse, einzukleben. In dem Beispiel der Fig. 5 ist zuerst das organische Material aufgebracht und anschließend das Material der Source- und Drain-Kontakte 3a, 3b, das auch hier Metall oder leitend dotiertes organisches Material sein kann.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist der auf der Oberseite der ersten Hauptseite aufgebrachte Leiter in drei Anteile 2a, 2b und 2c strukturiert. Die elektrisch leitenden Verbindungen 5, 51 verbinden diese Anteile des auf der ersten Hauptseite vorgesehenen Leiters 2a, 2b, 2c jeweils mit der Gate-Elektrode 9, dem Source-Kontakt 3a bzw. dem Drain-Kontakt 3b auf der zweiten Hauptseite. Die elektrisch leitenden Verbindungen 5, 51 sind in diesem Beispiel streifenförmig, wie an der zu der Gate-Elektrode 9 geführten Verbindung 51 erkennbar ist. An dieser zweiten Hauptseite des Halbleiterchips ist die Polymerschicht 8 aufgebracht, die von der Gate- Elektrode 9 durch ein als weitere Schicht aufgebrachtes Gate- Dielektrikum 7 getrennt ist und an den Seiten den Source- Kontakt 3a und den Drain-Kontakt 3b trägt. Die Gate-Elektrode, der Source-Kontakt und der Drain-Kontakt können hier vorzugsweise auch durch eine leitend dotierte weitere Polymerschicht gebildet sein.
In den Fig. 8, 9 und 10 sind weitere Transistorstrukturen im Schema dargestellt, die die Transistorstruktur der Fig. 7 ersetzen können und so weitere Ausführungsbeispiele liefern. Die Bezugszeichen entsprechen den Komponenten der vorhergehenden Beispiele; die Gate-Elektrode 9 ist hier jeweils als äußere Elektrode aufgebracht, nachdem die Polymerschicht 8 und das Gate-Dielektrikum 7 auf der zweiten Hauptseite des Halbleiterchips hergestellt sind.
Bei der Verwendung organischer Halbleiter auf dem Halbleiterchip können auch die Übergangsschichten zwischen dem Halbleitermaterial des Halbleiterchips und diesem organischen Halbleitermaterial ausgewertet werden. Je nach der Höhe der Fermi-Niveaus bildet sich eine Schottky-Barriere aus, unabhängig davon, ob das Substrat des Halbleiterchips beziehungsweise das aufgebrachte organische Halbleitermaterial n-leitend, p- leitend oder gar nicht dotiert ist. Eine charakteristische Strom-Spannungs-Kennlinie für die Schottky-Barriere ist materialspezifisch und kann als Sicherheitsmerkmal in der Schaltung ausgewertet werden. Ein Entfernen des organischen Halbleitermaterials wird in der Schaltung festgestellt.
Wenn der weitere Leiter 3 ein organisches Halbleitermaterial ist, kann auch darin eine separate integrierte Schaltung ausgebildet sein. Damit ergeben sich weitere Kontrollmöglichkeiten, die die Schutzfunktion weiter verbessern. Das organische Halbleitermaterial kann auch einem Polymer zugesetzt sein, das als Vergussmasse Bestandteil des Gehäuses ist. Beispielsweise kann PDOT/PSS der Vergussmasse in einer Konzentration zugesetzt sein, die gerade ausreicht, um ein Entfernen der Vergussmasse mit der integrierten Schaltung feststellen zu können.
Dieses Material ist bei einer bevorzugten Ausführungsform in einer dünnen Schicht auf der ersten Hauptseite des Halbleiterchips aufgebracht. Dabei ist eine Schichtdicke unterhalb 100 nm ausreichend. Darauf wird die eigentliche Vergussmasse in dicker Schicht (typisch 500 µm) aufgebracht. Ein potenzieller Angreifer kann die beiden Schichten, die das Gehäuse bilden, nicht unterscheiden und zerstört beim Ablösen der Vergussmasse auch die dünne halbleitende Schicht aus demselben Material. Damit ist das Sicherheitsmerkmal entfernt, was durch die integrierte Schaltung festgestellt werden kann.
Viele organische Halbleitermaterialien (insbesondere n-leitend dotierte Halbleitermaterialien) verändern sich an der Luft (Einwirkung von Sauerstoff oder Wasserdampf). Eine Polymerschicht wird daher vorzugsweise in einer Inert-Atmosphäre (z. B. Stickstoff) aufgebracht und anschließend sofort verkapselt. Eine derartige Anordnung zerstört sich beim Öffnen an der Luft von selbst oder verändert zumindest die oben erwähnte Kennlinie in einer durch die integrierte Schaltung deutlich erkennbaren Weise. Es gibt auch Halbleiter, die sich erst während des Betriebs der Schaltung in Luft verändern, vorher jedoch keine erkennbaren Veränderungen zeigen. Besonders vorteilhaft in diesem Sinne ist eine n-leitend dotierte Polymerschicht in Verbindung mit einem p-leitenden Siliziumsubstrat als Halbleiterkörper des Chips.
Einige der p-n-Grenzflächen zeigen Elektrolumineszenz. Da Silizium für Strahlung im Infrarotbereich durchlässig ist, kann das Auftreten der Lumineszenz in der Schaltung ausgewertet werden, ohne dass Wellenleiter, die erkennbar wären, vorgesehen sein müssen.
Als organische Halbleiter kommen beispielsweise in Frage: Polyacetylen, Polyanilin, Polyene (wie Anthrazen, Tetrazen oder Pentazen), Polythiophene oder Oligothiophene sowie deren substituierte Abkömmlinge, Polypyrrole, Polyp-phenylene, Polyp-phenylvinylidene, Naphthalindicarbonsäuredianhydride, Naphthalinbisimide, Polynaphthaline, Phthalocycanine, Kupfer- Phthalocycanine oder Zink-Phthalocycanine sowie deren substituierte, insbesondere fluorierte Abkömmlinge. Diese Halbleitermaterialien können auch elektrisch leitend dotiert sein. Bezugszeichenliste 1 erste Hauptseite
2 elektrischer Leiter
2a Anteil dieses Leiters
2b Anteil dieses Leiters
2c Anteil dieses Leiters
3 weiterer elektrischer Leiter
3a Source-Kontakt
3b Drain-Kontakt
4 zweite Hauptseite
5 Verbindung
6 Substrat
7 Gate-Dielektrikum
7a Isolation
8 Polymerschicht
9 Gate-Elektrode
10 Träger
51 Verbindung
IC integrierte Schaltung

Claims

1. Halbleiterchip, der umfasst:
eine erste Hauptseite (1) eines Substrates (6) oder Halbleiterkörpers, die eine integrierte Schaltung (IC) aufweist, mindestens einen elektrischen Leiter (2) auf oder über dieser ersten Hauptseite, der mit der Schaltung verbunden ist, mindestens einen weiteren elektrischen Leiter (3) auf oder über einer der ersten Hauptseite gegenüberliegenden zweiten Hauptseite (4) und
eine elektrisch leitende Verbindung (5) zwischen den besagten Leitern, wobei
die integrierte Schaltung dafür vorgesehen ist, eine Veränderung der besagten Leiter oder deren elektrischer Eigenschaften festzustellen.

2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine elektrische Leiter (2) auf oder über der ersten Hauptseite und/oder der mindestens eine weitere elektrische Leiter (3) auf oder über der zweiten Hauptseite des Halbleiterchips ein organisches Material ist.

3. Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elektrisch leitende Verbindung (5) zwischen den Leitern ein organisches Material ist.

4. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der mindestens eine weitere elektrische Leiter (3) einen auf oder über der zweiten Hauptseite des Halbleiterchips vorhandenen elektrisch leitfähigen Klebstoff umfasst.

5. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der mindestens eine weitere elektrische Leiter (3) ein Teil eines Gehäuses des Halbleiterchips ist.

6. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein weiterer elektrischer Leiter (3) ein Source-Kontakt (3a), ein Drain-Kontakt (3b) und/oder eine Gate-Elektrode (9) einer auf oder über der zweiten Hauptseite vorgesehenen Transistorstruktur ist.

7. Halbleiterchip nach Anspruch 6, bei dem auf oder über der zweiten Hauptseite eine Schicht (8) aus einem organischen Material vorhanden ist, die von der Gate- Elektrode durch ein Gate-Dielektrikum (7) getrennt ist und auf der ein Source-Kontakt (3a) und ein Drain-Kontakt (3b) angeordnet sind, die über elektrisch leitende Verbindungen (5) mit der integrierten Schaltung verbunden sind:

8. Halbleiterchip nach Anspruch 7, bei dem das Substrat (6) als Gate-Elektrode vorgesehen ist.