專利名稱：用于保護(hù)芯片及檢驗其真實性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，其具有電路，覆蓋電路的安全層、包含安全層的局部區(qū)域的安全元件和傳感器。
本發(fā)明還涉及一種具有半導(dǎo)體器件和讀卡器的載體。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種初始化方法和一種檢驗半導(dǎo)體器件真實性的方法。
由EP-A 300864已知這種半導(dǎo)體器件和這種載體。已知器件的安全元件是電容器，具有作為其傳感器的兩個電容器電極通過安全層電容性地耦合到一起。器件優(yōu)選包含多個安全元件。在檢驗器件的真實性時，測出的電壓與計算出的基準(zhǔn)電壓相比較。如果存在差異，則不認(rèn)可其真實性。器件存在于其上的載體是智能卡。
已知器件的一個缺點是安全元件可被繞開。可由具有相同電容而使下層電路任意的其它結(jié)構(gòu)代替安全元件。而且，如果后來再運用電極和安全元件，則不能檢測到安全層和電極的移除。為了查看、電子探查和/或修改電路，會進(jìn)行這種移除。
因此發(fā)明的第一個目的是提供一種于開頭段落中記載的半導(dǎo)體器件，之后可以檢驗其安全層的移除。
發(fā)明的第二個目的是提供一種具有改進(jìn)的剽竊檢驗(detectionof hacking)的載體。
第一目的實現(xiàn)在于-安全層包含嵌入的磁性粒子，和-傳感器是磁性傳感器，能夠測量安全層的磁性能。
第二目的實現(xiàn)在于載體包含本發(fā)明的半導(dǎo)體器件。
本發(fā)明的兩個特征--嵌入的磁性粒子和測量其磁性能的傳感器--結(jié)合形成非常好的任何半導(dǎo)體器件的保護(hù)系統(tǒng)。其本質(zhì)進(jìn)一步在于傳感器和嵌入的磁性粒子都在芯片上實現(xiàn)；這也意味著不改變相互的位置。因此，磁性能測量中的任何不確定性都顯著地減少。而且，對于任何用戶或黑客，可完全隱藏該測量。如果磁性能的值存儲于芯片本身上，則不需要對外界進(jìn)行任何通訊。此外，任何磁性能可以容易地轉(zhuǎn)換為可使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議向外界讀卡器傳遞的值?？赡艿拇判詡鞲衅鞑粌H包括磁阻傳感器，還包括所有類型的電感器。對于信號處理的便利性來說，優(yōu)選的是傳感器可將磁性信號轉(zhuǎn)換為電或數(shù)字信號。現(xiàn)在將一個接一個地延伸討論這兩個特征。
磁性粒子的應(yīng)用具有下列優(yōu)點，即它們基本上是惰性的和其性能穩(wěn)定。而且，在移除原始有的安全層之后，提供具有相同磁性能的安全層是不可能或幾乎不可能的?？梢詸z驗安全層的移除，這是由于在初始化時，將實際值與存儲于存儲器中作為基準(zhǔn)值的初始值相比較。存儲器可存在于半導(dǎo)體器件之外。其具有以下優(yōu)點，即一個和相同的值在半導(dǎo)體器件的兩個位置中可得到，以及與外部通訊，中央數(shù)據(jù)庫設(shè)備不需要檢驗其真實性?？蛇x擇的，存儲器可存在于半導(dǎo)體器件的外部。這樣具有的優(yōu)點在于，不可能修改存儲器與安全層，以便于基準(zhǔn)值和實際值都與原始值不同但是卻相等。優(yōu)選的，存在多個安全元件。
優(yōu)選的，嵌入的磁性粒子非均勻地分布在電路上。粒子的非均勻分布給予安全元件一個特定的且不可預(yù)知的阻抗。電路上的安全層中磁性粒子的非均勻分布可以以多種途徑來實現(xiàn)。如果通過包含溶膠-凝膠前體的粒子懸浮來制備安全層，那么將自然地存在粒子分布的非均勻性。該非均勻性還可通過懸浮參量的變化來加強，例如通過故意制造不穩(wěn)定的懸浮。另一種可能性是按照所需圖案通過淀積來達(dá)到。其具有的優(yōu)點是，懸浮包含溶膠-凝膠前體，例如二氧化硅、氧化鈦、氧化鋯或磷酸鋁的前體。非均勻性可以是化學(xué)屬性-例如化學(xué)上不同的磁性粒子或磁性粒子的不同合成物-和其物理屬性-例如不同的粒子尺寸或其它。
其另一優(yōu)點在于，通過添加非磁性粒子來提供非均勻性分布。這樣具有的結(jié)果是，在電路上不僅磁性粒子的橫向位置，而且或甚至主要是磁性粒子的垂直位置發(fā)生改變?？梢岳斫?，上下文中使用的術(shù)語“垂直”和“橫向”是相對于平行于安全層的參考平面。
磁性粒子可以是任何種類的磁性粒子，例如鐵磁性，和亞鐵磁性粒子?？梢允褂描F氧體粒子，諸如BaFe12O19。如果前體懸浮的屬性與磁性粒子不相兼容，可通過封裝來保護(hù)磁性粒子，例如在SiO2或聚合物中。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，磁性粒子可基于其硬度細(xì)分。該硬度的參量是矯頑場的強度Hc。描述磁性材料硬度的第二參量是參與磁化強度Mr與飽和磁化強度Msat的比率R。殘余磁化強度定義為在零外部磁場時的磁化強度，在磁性飽和步驟之后得到。適用于變壓器和電感器的軟磁材料具有絕對意義小的Hc值，且R＜＜1。具有較高Hc和大R的磁性材料用來磁性記錄或甚至作為永磁體——一起還稱作硬磁材料。軟磁和硬磁材料都可用于本發(fā)明的器件中，但是用于不同的實施例。
第一實施例中，使用軟磁材料的磁性粒子，其粒子具有亞微米級的直徑，優(yōu)選小于100納米。這種粒子公知為超順磁性粒子和鐵磁性及亞鐵磁性粒子，其非常小，在沒有外部場時，其磁化強度在比進(jìn)行磁化測量期間的時間周期短很多的時間級上波動。優(yōu)選地，多個這種磁性粒子提供在惰性的、微米尺寸的基質(zhì)中，以及同樣地存在于安全涂層中。具有超順磁性粒子的這種基質(zhì)可以在市場上買得到，公知如微珠(microbead)。軟磁材料是例如磁鐵礦或立方三重鐵氧體。利用這種材料，可以實現(xiàn)小于1秒的短測量時間，優(yōu)選0.001至0.1秒數(shù)量級。這是由于對由該材料制成的超順磁性納米粒子的施加磁場的響應(yīng)時間短。響應(yīng)時間由Arrhenius表達(dá)式來給出，按照該式，響應(yīng)時間為磁各向異性能量密度和粒子體積的乘積的指數(shù)性函數(shù)。
超順磁性粒子的優(yōu)點在于，其磁化強度M在比兩個測量之間的時間周期短得多的時間級上波動。其結(jié)果是，在測量初始時，平行于安全層及位于特定磁阻傳感器Sx處的合成磁化場H//，Sx可假定為零。在施加了外部磁場時，在平行于該外部磁場的方向感應(yīng)出磁化。該磁化感應(yīng)出圍繞粒子的磁偶極場，其具有垂直于外部施加的磁場和基本平行于安全層的顯著分量。合成的磁化場H//，Sx是不同的，并會引發(fā)磁阻傳感器的電阻率改變。合成磁化場H//，Sx的幅度取決于粒子的數(shù)量，和相對于磁阻傳感器的距離及位置。
在第二實施例中，使用硬磁材料的粒子-硬磁粒子。硬磁粒子可以是任何類型或尺寸，且優(yōu)選具有自0.1至3微米范圍的平均直徑。優(yōu)選該平均直徑比安全層的厚度小得多，安全層可為10微米或更大的厚度。
對硬磁粒子的兩個子類進(jìn)行區(qū)分。如果粒子的矯頑場比在其壽命期間可允許施加于芯片的最大場大很多，則在制造工藝期間當(dāng)將它們磁化一次之后，每個粒子的磁化方向?qū)⒂谰玫墓潭ā０踩闹档臏y量則包含在不施加外部磁場的情況下，測量傳感器電阻的步驟。該值直接與在初始化步驟之后獲得的基準(zhǔn)值相比較。
在第二子類內(nèi)，為了引發(fā)磁化必須施加外部磁場。在該第二子類內(nèi)，粒子的矯頑場比在芯片的壽命期間可允許施加的最大磁場更小，或近似相等。比矯頑場大的場的施加改變了粒子的磁性狀態(tài)。為了移除任何未受控制的先前施加的外部磁場的影響，因此必須使粒子處于基準(zhǔn)狀態(tài)。適合的預(yù)處理的示例是消磁。通常在陰極射線管中使用的這種處理中，施加交變磁場。該場的強度最初等于或大于硬磁粒子的飽和場，但是在每一個交變處減小，以在標(biāo)準(zhǔn)值處結(jié)束，通常是零場。
該第二子類內(nèi)具有硬磁粒子的安全元件的值測量可與軟磁材料的粒子相同。這將包括在零施加磁場的基準(zhǔn)狀態(tài)下測量傳感器的電阻，在基本垂直于安全層的平面的方向施加外部場，所述外部場具有至少飽和磁場的強度，以及再次測量電阻的步驟。第二次測量優(yōu)選在合成的磁化場H//，Sx達(dá)到其飽和值之后開始，并在切斷外部場前停止。
可選擇的，外部場可為零或者強度低于硬磁粒子的飽和磁場，其具有增強安全級別的優(yōu)點，和外部場的施加對傳感器的電阻不具有直接影響或具有較弱直接影響的優(yōu)點。在先于測量的階段中，磁場可進(jìn)一步以消磁的方式施加，以便在低于飽和磁場的所述偏置值附近結(jié)束。接著，進(jìn)行測量。特例是在零磁場中進(jìn)行測量。
在進(jìn)行與用于獲得基準(zhǔn)狀態(tài)不同的測量之前，通過利用外部場的時間變化，可以建立與基準(zhǔn)狀態(tài)中不同的磁性粒子的明確殘余狀態(tài)。因此測量的合成電阻率不僅取決于安全層中磁性粒子的尺寸和特定分布，還取決于其響應(yīng)于與時間有關(guān)的磁場的具體的磁滯現(xiàn)象。這提高了安全的級別，基于下面兩個原因。首先，由于當(dāng)測量完整的磁化回路時，所謂的內(nèi)部磁滯回線取決于未探測粒子的具體內(nèi)部磁性狀態(tài)，以及由于該內(nèi)部回線通過實踐中不能檢驗的粒子性能的微弱的和隨機的變化已經(jīng)被嚴(yán)重改變，因此在實踐中當(dāng)消磁處理之后，僅僅以體積和整個磁滯回線的測量為基礎(chǔ)進(jìn)行粒子的殘余磁化強度的預(yù)測是不可能的。第二，將多次不同的消磁處理之后得到的傳感器響應(yīng)可以與那些在初始化工藝中以相應(yīng)方法得到的傳感器響應(yīng)相比較。該響應(yīng)非常特殊，而且可認(rèn)為是“磁性署名”。消磁處理可以在長度和特征上變化，如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。而且，可使用響應(yīng)的全時依賴關(guān)系。
在進(jìn)一步的實施例中，選擇超順磁性粒子或該粒子的混合物，以使得它或它們的弛豫時間可與其測量時間可比較。結(jié)果，除了電阻率的絕對值之外，還可使用電阻率的時間依賴關(guān)系。在一個突然的固定磁場施加之后，通過磁阻傳感器可以測量電阻率的時間依賴關(guān)系。
如上說明，可使用包括磁阻傳感器和電感器的各種磁性傳感器。
在一個實施例中，磁性傳感器是電感器。發(fā)現(xiàn)以穩(wěn)定的方式僅僅使用電感器作為磁性傳感器，可很好地測量磁性能。該實施例中，適于使用鐵磁粒子，諸如鐵氧體，特別地不排它地使用鎂鋅鐵氧體。于是優(yōu)選的，該鐵磁粒子具有高的導(dǎo)磁率，例如μ≥1000。這導(dǎo)致對于外部磁場減小的靈敏度，但對于電感器的高靈敏度。于是優(yōu)選的，在較高頻率下測量鐵磁粒子的磁性能，例如在MHz范圍。鐵氧體粒子具有它們可具有任意所需的導(dǎo)磁率和任意直徑、以及它們十分穩(wěn)定的優(yōu)點。
電感器優(yōu)選體現(xiàn)于互連結(jié)構(gòu)的上層中，或如果存在的話，甚至在任何鈍化層頂上。其可具有任何適合的形狀，這取決于使用的磁性粒子的種類、和由此測量的效果、以及對于一個傳感器的可用空間。主要的，至少有兩種形狀用于電感器的線圈。一種形狀使用矩形線圈。其具有可將線圈有效地隱藏在互連結(jié)構(gòu)中的優(yōu)點，例如在一個平面中線圈被中斷，但是在下層的平面中繼續(xù)并且另外與垂直互連連接。另一種形狀使用環(huán)形或橢圓形繞組。其具有有限的空間和最佳靈敏度的優(yōu)點。傳感器可具有僅僅一個線圈，例如具有1-200μm的直徑，優(yōu)選大約10-20μm。還可提供具有螺旋形的繞組。第二電感器可同心地提供于所述螺旋形繞組中。具有看來非常合適的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)是所謂的C-焊盤結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，通過接合焊盤或垂直的互連區(qū)形成電感器的鐵心。
在另一優(yōu)選實施例中，磁性傳感器是能夠把磁性能轉(zhuǎn)換成阻抗值的磁阻傳感器。利用磁阻傳感器，由粒子的分布產(chǎn)生的磁化轉(zhuǎn)換至阻抗值。因此可在線測量阻抗。這具有可以以原理上公知的簡單方式進(jìn)一步處理、數(shù)字化和存儲阻抗的任何實際值的優(yōu)點。在本申請的上下文中，術(shù)語“阻抗”與磁阻傳感器中測量的阻抗有關(guān)。該阻抗實際上是通過安全元件中的磁化的瞬間變化引起的阻抗。該變化可通過改變外部磁場的幅度來提供，特別是通過接通和/或切斷該外部磁場來提供。通常得到磁阻傳感器的阻抗作為基準(zhǔn)狀態(tài)與磁場中的傳感器電壓之間的差，該差除以使用于磁阻傳感器中的傳感器電流。電壓優(yōu)選為存在于傳感器中的惠斯頓電橋(Wheatstone bridge)的電壓。
在有利的實施例中，第一安全元件包含具有第一對磁阻傳感器和第二對傳感器的惠斯頓電橋，該第一和第二對傳感器具有基本上相同的電阻與磁場特性的關(guān)系。所述特性通過物理的和磁性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，例如傳感器具有相同的尺寸和包含相同的材料，以及釘扎層被釘扎在電橋的所有傳感器中相同的方向。由于不僅是阻抗本身，而且是在所測量的第一對——和任選第二對的——第一和第二磁阻傳感器之間的阻抗差，因此惠斯頓電橋的使用增加了安全元件對于阻抗變化的靈敏度。此外，利用惠斯頓電橋，測量不依賴于溫度的變化，并且補償了恒定的背景磁場。對于磁阻傳感器領(lǐng)域的技術(shù)人員來說惠斯頓電橋就其本身來說是公知的。在本申請的上下文中，術(shù)語惠斯頓電橋應(yīng)理解為包括，所謂的惠斯頓半電橋，包括第一對磁阻傳感器和第二對等同的非磁性元件；惠斯頓全電橋，包括第一和第二對磁阻傳感器；以及惠斯頓電橋的任意變型。磁阻傳感器可為各種類型，諸如GMR、TMR和AMR并且其自身是公知的。除了參考附圖描述的標(biāo)準(zhǔn)磁阻傳感器以外，可使用更復(fù)雜的傳感器。其例子是具有噴粉層的自旋閥、鏡面自旋閥、具有作為釘扎層的人造反鐵磁體的自旋閥。如果在安全層之下具有鈍化層，則磁阻傳感器可位于該鈍化層的任一側(cè)。
在進(jìn)一步的實施例中，安全元件具有這種結(jié)構(gòu)，其中將具有基本平行于安全層的靈敏度軸的磁阻傳感器成型為條紋狀，其具有在基本垂直于靈敏度軸的方向上的長度。該實施例的磁阻傳感器在從垂直于安全層的方向上的磁場偏離是無害的這種意義上講，是堅固的。如果使傳感器飽和，通常該偏離是有害的。
優(yōu)選地，鈍化結(jié)構(gòu)包含多個安全元件。這些元件可以都是包含至少一個磁阻傳感器的安全元件。但是，存在各種類型的安全元件也是可以的。其它類型的安全元件包括電容器、電阻器、電感器和它們的組合，其中鈍化結(jié)構(gòu)包含具有橫向跨過電路的可變介電常數(shù)的層。
如以下將要詳細(xì)說明的，必須將安全元件中測量的阻抗轉(zhuǎn)換為可存儲于存儲器中的信號，或存儲于半導(dǎo)體器件內(nèi)部或任何讀卡器或連接至讀卡器的數(shù)據(jù)庫中。為了這一目標(biāo)，存在轉(zhuǎn)換裝置用于將來自第一安全元件的輸出電壓轉(zhuǎn)換至第一阻抗的實際值。轉(zhuǎn)換裝置可以是公知的屬性，諸如A/D轉(zhuǎn)換器或任何基于與預(yù)定時鐘頻率相比較的電路。
本發(fā)明的載體可以是智能卡、諸如光盤的記錄載體，或諸如紙幣的證券紙。
發(fā)明的第三個目的是提供利用其可檢驗本發(fā)明的半導(dǎo)體器件真實性的讀卡器。
第三個目的實現(xiàn)在于適于具有本發(fā)明半導(dǎo)體器件的卡的讀卡器，其中為了產(chǎn)生引起磁性粒子在基本垂直于安全層中的磁化的外部磁場，存在讀卡器磁化裝置。產(chǎn)生的外部磁場優(yōu)選具有10至100kA/m數(shù)量級的強度。磁化裝置的例子包括線圈和永久磁鐵。如果使用線圈，可具有例如是鐵氧體材料的磁芯。而且，可使用彼此平行放置和串聯(lián)電連接的多個線圈或磁鐵。發(fā)現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，產(chǎn)生了在基本上一個方向中的磁場。如果需要一個方向中的磁場，優(yōu)選的數(shù)目是二。如果需要三個方向中的磁場，優(yōu)選的數(shù)目是六。讀卡器的實際的卡讀取部分優(yōu)選存在于磁化裝置的線圈或磁鐵之間。
優(yōu)選地，為了測量外部磁場，基準(zhǔn)傳感器存在于de讀卡器中。采用所述測量，可校準(zhǔn)磁場。而且，讀卡器可包含加熱裝置，諸如紅外燈或其它局部熱源，或在規(guī)定溫度下提供流體或氣體流。也可存在有溫度計。
在進(jìn)一步的實施例中，讀卡器的線圈是消磁電路的一部分。這種消磁電路本身從陰極射線管領(lǐng)域中公知。通常提供永久磁性粒子的充分磁化，使得任何先前存在的磁化變得無關(guān)。優(yōu)選的消磁電路的例子包含雙PTC熱敏電阻，和平行于線圈以防止干擾的旁路電容器。
第四個目的是提供一種初始化本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的方法。
第五個目的是提供一種檢驗本發(fā)明的半導(dǎo)體器件真實性的方法。
以初始化本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的方法實現(xiàn)第四個目的，其中包括步驟確定安全元件的阻抗的初始實際值，和將初始實際值作為基準(zhǔn)值存儲于存儲器中。
以檢驗本發(fā)明的半導(dǎo)體器件真實性的方法實現(xiàn)第五個目的，其中器件被初始化，包含步驟-確定安全元件的阻抗的實際值，-從存儲器中讀取基準(zhǔn)值，-比較實際值和基準(zhǔn)值，和-只有當(dāng)實際值與基準(zhǔn)值之間的差小于預(yù)定的閾值時，才認(rèn)可半導(dǎo)體器件的真實性。
由于在初始化之前沒有安全元件的阻抗實際值是已知的，由此初始化半導(dǎo)體器件的方法是必要的。檢驗真實性的方法具有實際值與基準(zhǔn)值是可用的并且可以進(jìn)行比較的優(yōu)點。實際值是可用的，并被物理地固定于半導(dǎo)體器件中。在半導(dǎo)體器件中基準(zhǔn)值是可用的，但是也可在讀卡器訪問的或被結(jié)合到讀卡器中的中央數(shù)據(jù)庫器件中是可用的?；鶞?zhǔn)值也可存在于半導(dǎo)體器件和中央數(shù)據(jù)庫器件中。可以理解，如果存在多個安全元件，可重復(fù)該方法。
預(yù)定閾值通常很小，例如優(yōu)選在基準(zhǔn)值的5％以下，并且被定義為為了校正測量的不確定性或溫度以及其他外部條件的影響。值得注意的是，在正常條件下具有多個安全元件，每一個都具有其自身的阻抗。因此可預(yù)期在半導(dǎo)體器件的真實性可被完全認(rèn)可之前，所有的阻抗、或至少其中的一部分必須與相應(yīng)的基準(zhǔn)值相比較。
如果基準(zhǔn)值存儲于中央數(shù)據(jù)庫器件的存儲器中，則檢驗真實性的方法也可解釋為識別半導(dǎo)體器件的方法；例如，替代于檢驗實際值是否等于屬于已知的半導(dǎo)體器件標(biāo)識的基準(zhǔn)值，實際值可被用來找出數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)基準(zhǔn)值，以及因此的半導(dǎo)體器件標(biāo)識。與中央數(shù)據(jù)庫設(shè)備聯(lián)合的基準(zhǔn)值的使用通常稱為唯一的芯片識別碼。
在優(yōu)選實施例中，確定實際值的步驟包括下列步驟-在標(biāo)準(zhǔn)外部磁場下測量截止態(tài)值；-產(chǎn)生外部磁場以引起磁性粒子在基本垂直于安全層中的磁化；-在外部磁場被切斷之前測量導(dǎo)通態(tài)值；-確定阻抗的實際值為導(dǎo)通態(tài)值與截止態(tài)值之間的差。
如上說明，只有其磁化可被永久固定的磁性粒子可被直接測量。對于其它磁性粒子，有必要在測量之前施加外部磁場。該外部磁場優(yōu)選在讀卡器中產(chǎn)生。為了具有已校準(zhǔn)的實際值，其測量作為在標(biāo)準(zhǔn)的、優(yōu)選零外部磁場的截止態(tài)值與外部磁場的導(dǎo)通態(tài)值之間的差。
如果磁性粒子或者至少其中一部分包含硬磁材料，則有必要進(jìn)行預(yù)處理以移除磁性粒子在基本垂直于安全層的方向上的任何現(xiàn)有磁化。該預(yù)處理可以是消磁處理，諸如以上詳細(xì)描述的。
如果磁性粒子或至少其中的一部分包含軟磁材料，可進(jìn)行弛豫測量，包含步驟-產(chǎn)生外部磁場以引發(fā)磁性粒子在基本垂直于安全層中的磁化；-在將軟磁粒子的粒子弛豫至其飽和磁化之前，測量第一和第二值，和-確定安全元件的阻抗實際值為第一和第二值之間的差。
該弛豫測量提供特殊響應(yīng)。被測量的值的數(shù)量取決于軟磁材料的弛豫時間，其自身是公知的。為了糾正漂移效應(yīng)，將實際值確定為第二和第一值之間的差。如果測量大量的值，可計算測量的值與第一值之間的差，或連續(xù)值之間的差。在第一和第二值的測量之后，在相反方向上產(chǎn)生外部磁場，并且進(jìn)一步測量值，可以優(yōu)化測量。
參考附圖將進(jìn)一步說明半導(dǎo)體器件的這些和其它方面以及按照發(fā)明使其初始化和檢驗其真實性的方法，其中

圖1是半導(dǎo)體器件的示意截面圖；圖2是半導(dǎo)體器件中的安全元件的示意截面圖；圖3A是安全元件的示意平面圖；圖3B是圖3A所示的相應(yīng)于安全元件的電路圖；圖4A-C示出了對于利用超順磁性材料的磁性粒子的實施例，施加的磁場、磁化和測量的電壓差作為時間函數(shù)的曲線圖；圖5A-C示出了對于利用硬磁材料的磁性粒子的實施例，施加的磁場、磁化和測量的電壓差作為時間函數(shù)的曲線圖，其中測量發(fā)生在飽和磁場中；圖6A-C示出了對于具有硬磁材料的磁性粒子的實施例，施加的磁場、磁化和測量的電壓差作為時間函數(shù)的曲線圖，其中測量發(fā)生在小于飽和磁場的磁場中；和圖7是半導(dǎo)體器件的原理圖。
附圖是示意性地畫出，且為按照真實比例，不同附圖中的相同參考號指相應(yīng)的元件。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離真實的發(fā)明意圖的情況下可以實施本發(fā)明的可選擇的、而且等效的實施例是顯而易見的，本發(fā)明的范圍只通過權(quán)利要求來限定。
圖1中，半導(dǎo)體器件11具有硅襯底31，具有第一側(cè)面32。在該側(cè)面32上，器件11具有第一有源元件33和第二有源元件43。本例中，該有源元件33、43是具有發(fā)射極區(qū)34、44，基區(qū)35、45和集電極區(qū)36、46的雙極型晶體管。在第一層37中提供所述區(qū)34-36、44-46，其被二氧化硅的構(gòu)圖的絕緣層38覆蓋。將絕緣層38進(jìn)行構(gòu)圖，使得其具有位于發(fā)射極區(qū)34、44和基區(qū)35、45的接觸窗。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知，場效應(yīng)晶體管可替代雙極型晶體管，或者除了雙極晶體管之外還具有場效應(yīng)晶體管。本領(lǐng)域技術(shù)人員還已知，其它元件諸如電容器、電阻器和二極管可集成在半導(dǎo)體器件11中。將有源元件互連以形成電路。
在絕緣層38中的這些接觸窗上，將所述區(qū)連接至互連39、40、41，42。本實施例中的互連在第一級和第二級上延伸。如通常公知的，互連結(jié)構(gòu)可包含更多級。未示出的阻擋層通常位于互連和有源元件之間?；ミB39、40、41，42例如以Al或Cu以公知的方式制造，并通過介電層47覆蓋和互相絕緣，介電層47優(yōu)選具有低介電常數(shù)。未示出額外存在的阻擋層。存在第三級互連28以連接安全元件12，包含第一和第二磁阻傳感器121、122和鈍化結(jié)構(gòu)50的局部區(qū)域。
本實施例中的鈍化結(jié)構(gòu)50包含具有0.60μm厚度的SixNy的鈍化層52。在鈍化層52之下可存在磷硅酸鹽玻璃的另外層。鈍化結(jié)構(gòu)還包括具有2-10μm厚度的鋁磷酸鹽的安全層53，其中嵌入磁性粒子。為了穩(wěn)定安全層53和降低層的透明度，還存在TiO2和TiN粒子。未示出的平坦化層可存在于鈍化層52下面。通過旋涂15％重量的單鋁磷酸鹽、20-50％重量的水中粒子的混合物，并接著在約100-150℃干燥來涂覆安全層53?？蛇x擇的，可噴涂5-10％重量的單鋁磷酸鹽的混合物來涂覆。在干燥之后，在400-500℃對層進(jìn)行退火以允許凝結(jié)，于是發(fā)生從流體至固相的轉(zhuǎn)變。在安全層52上存在環(huán)氧樹脂材料作為封裝54。可將安全層53構(gòu)圖，以便于使晶片容易地分隔成分離的管芯，和限定例如用于連接至PCB的接觸焊盤。
傳感器121、122相互距離大約1微米。參考圖2和3將詳細(xì)說明其機能。傳感器121、122可具有更大的相互距離。但是，如果距離小于2微米，則可改進(jìn)測量。這是由于位于傳感器之間的磁性粒子會引起傳感器中相反方向的磁化，并由此引起阻抗的不同變化這一事實。
圖2是安全元件12的詳細(xì)的截面圖。磁阻傳感器121、122的每一個都包含四個主要層的疊層釘扎層61、釘扎層62、間隔層63和自由層64。釘扎層61是反鐵磁體，這種情況下是10nm厚的Ir20Mn80層。其可通過一個或多個緩沖層與下層的結(jié)構(gòu)絕緣，諸如3nm厚度的Ta和/或Ni80Fe20的層。釘扎層62-這種情況下是6nm厚的Co-具有由于釘扎層61的影響而不可變的磁化。優(yōu)選磁阻傳感器121、122的釘扎層62的磁化為平行的方向。因此電橋的輸出電壓對均勻的外部磁場不敏感。間隔層63包含優(yōu)選在GMR傳感器情況下的諸如具有3nm厚度Cu的導(dǎo)電材料。在TMR傳感器情況下，應(yīng)用諸如具有1nm厚度的Al2O3的絕緣材料。自由層64包含諸如具有大約6nm厚度的Ni80Fe20的軟磁材料。
圖2示出在靠近磁阻傳感器121、122的安全層53中存在三個超順磁性粒子的情況，其中靈敏度軸平行于釘扎磁性層62中的磁化方向(x軸)。粒子具有不同尺寸并且相對于傳感器121、122以不同的距離和角度存在。在施加垂直于平面取向的磁場之后，按照將參照圖4進(jìn)一步說明的時間依賴關(guān)系，在粒子中將引起垂直的磁化。這導(dǎo)致了粒子周圍的偶極場，如圖中通過磁力線表示的示意圖。來自磁性粒子A、B和C的偶極場對傳感器121、122的自由層64的磁化施加磁矩，當(dāng)不存在偶極場時該磁矩取向為基本平行于y方向(即垂直于圖的平面的方向)。磁矩取決于粒子A、B、C和傳感器之間的x和z(垂直于層平面)方向的距離，并且和粒子A、B、C的磁化強度成比例。結(jié)果，自由層64中產(chǎn)生出磁化旋轉(zhuǎn)。這些磁化旋轉(zhuǎn)的方向和大小是通過由磁性粒子A、B、C引起的磁場的有效(平均化層)的x分量的方向和大小來確定的。傳感器平面中明顯位置處的這些場的幅度，通過箭頭長度在圖中表示。結(jié)果，在第一傳感器121中具有向右(即x正向)的凈磁化旋轉(zhuǎn)和在第二傳感器122中具有向左的凈磁化旋轉(zhuǎn)。因此第一傳感器121中的自由層64的磁化的凈x軸分量比第二傳感器122中的自由層64的更大。磁阻傳感器121、122的電阻取決于釘扎層和自由層62、64的磁化方向之間的角度。結(jié)果，傳感器121的電阻相比平均值下降，而傳感器122的電阻增加。
圖3a是安全元件12的示意平面圖。圖3b示出了等效電路圖。安全元件12是惠斯頓電橋。部件123、124可以是相等的非磁性電阻或磁阻傳感器，優(yōu)選與傳感器121、122相同類型。盡管優(yōu)選的，但部件123、124不必具有與傳感器121、122相同的物理尺寸。除部件121-124和安全層(未示出)之外，安全元件12包括電極131-134。第一電極131是電流輸入，第二和第三電極132、133通過電壓測量相互連接。提供轉(zhuǎn)換裝置以將安全元件的輸出電流或電壓轉(zhuǎn)換至阻抗的實際值。下面將參照圖7進(jìn)一步說明轉(zhuǎn)換裝置。第四電極134是電流輸出。觀察到，圖3a中示出的惠斯頓電橋的形狀對于本實施例不是至關(guān)重要的。這是由于磁性粒子分布的隨機性。
圖4、5和6示出對于發(fā)明的三個實施例的施加磁場、磁化和測量的電壓差的曲線圖。圖4涉及具有超順磁性粒子的實施例。圖5和6涉及在測量之前限定其基準(zhǔn)狀態(tài)的硬磁粒子的實施例。圖5示出在飽和磁場的測量，圖6示出在小于飽和磁場的消磁場的測量。
當(dāng)使用超順磁性粒子時，在施加外部磁場之前，粒子的磁化為零。因此可立即進(jìn)行惠斯頓電橋的輸出電壓的截止態(tài)測量。在tR，B開始測量和在tR，E結(jié)束測量。然后在t0施加外部磁場Happ。這在通過由粒子的弛豫時間或弛豫時間分布確定的時間標(biāo)度上，將導(dǎo)致粒子的磁化M增加至其飽和值Msat。因此只要存在磁場Happ，磁化強度就保持穩(wěn)定，可進(jìn)行電壓差ΔV的測量。其導(dǎo)通態(tài)測量將在tB開始和在tE結(jié)束。最后在t1，外部磁場Happ將下降到截止，且磁化強度M和電壓差ΔV將減小到其基準(zhǔn)值。確定實際值為導(dǎo)通態(tài)測量和截止態(tài)測量之間的差?？蛇x擇的，電壓差的測量可作為時間函數(shù)執(zhí)行。如果弛豫時間是時間t1的階數(shù)(order)是非常值得注意的。
當(dāng)使用其矯頑場小于或相同于所允許的最大未受控制外部場的數(shù)量級的硬磁粒子時，有必要進(jìn)行預(yù)處理移除任何殘余的磁化。用于此的優(yōu)選方法是消磁處理。在該消磁處理中，如圖5A所示，施加具有交替方向和漸減的最大強度的振蕩外部磁場。進(jìn)行截止態(tài)測量，在t0施加外部場Happ，并自tB，1至tE，1進(jìn)行導(dǎo)通態(tài)測量。再次確定實際值為導(dǎo)通態(tài)和截止態(tài)值之間的差。在t1時切斷磁場Happ之后，通常還存在殘余磁化。該殘余磁化是材料特性，可用于自tB，2至tB，2的額外測量。
可選擇的，測量可以以特定的方式通過消磁處理來進(jìn)行，該方式不同于用于得到基準(zhǔn)狀態(tài)的方式，例如在一定的偏置場周圍消磁，如圖6所示。隨后的測量在有限場中進(jìn)行，例如在其周圍進(jìn)行了消磁的偏置場。還可以在外部最終磁場被切斷后進(jìn)行。
圖7是半導(dǎo)體器件11連同存取裝置2的實施例的圖。半導(dǎo)體器件11包含各種裝置測量裝置4、存儲器7、控制裝置8和驗證控制9。而且，半導(dǎo)體器件包含多個安全元件12和開關(guān)10。存儲器7包含多個存儲元件7A、7B、7C...，以及存儲控制5和讀取控制6。控制裝置8和驗證控制9可集成到為一個功能，這樣成為微處理器或?qū)Ｓ秒娐贰？刂蒲b置8不必僅僅專用于安全元件12阻抗的測量、存儲和讀取的控制，還可控制整個半導(dǎo)體器件的功能，包括具有財政的或身份數(shù)據(jù)的另外的存儲器。存取裝置2通常是讀卡器，但是可以是其它器件，例如利用其進(jìn)行初始化的裝置。
半導(dǎo)體器件11的示例性電路的例子運行如下自存取裝置2發(fā)送信號到半導(dǎo)體器件11，請求初始化或真實性檢驗。安全元件12的阻抗的值通過控制裝置8來測量，且以取決于阻抗的頻率被發(fā)送到轉(zhuǎn)換裝置4，并接著通過開關(guān)10前往存儲器7。轉(zhuǎn)換裝置通常包含振蕩器、計數(shù)器和基準(zhǔn)振蕩器以提供時鐘頻率，或標(biāo)準(zhǔn)的A/D轉(zhuǎn)換器。這導(dǎo)致了表示測量的安全元件的阻抗實際值的數(shù)字化信號。如果不與任何外部測量的值相比較，則可存在于任何種類的SI單元中，但也可以存在于任何裝置特定的值中。取決于開關(guān)10，可存儲實際值或?qū)嶋H值提供給驗證控制9。開關(guān)優(yōu)選為僅可開關(guān)一次，例如其中包含熔絲。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的，不排除將開關(guān)10和存儲控制5集成到一個功能單元中。驗證控制9將比較實際值和基準(zhǔn)值。如果兩個值之間的差小于預(yù)定閾值，例如3％，則將正信號-OK狀態(tài)-發(fā)送至控制裝置8。這將立即完成，或在所有的實際值與所有的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較之后完成，或者在所選的多個實際值已經(jīng)與相應(yīng)的基準(zhǔn)值比較之后完成。預(yù)定閾值取決于測量裝置的精度。其可以是10或20％，特別是如果安全元件的數(shù)目很大，例如10或更大。其還可小于1％，這部分地取決于客戶的期望和集成電路設(shè)計的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，提供有電路、覆蓋電路的安全層、包含安全層的局部區(qū)域的安全元件、和傳感器，其特征在于- 安全層包含嵌入的磁性粒子，和-傳感器是磁性傳感器，能夠測量安全層的磁性能。
2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其特征在于磁性傳感器是磁阻傳感器，能夠?qū)⒋判阅苻D(zhuǎn)換為阻抗的實際值。
3.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其特征在于嵌入的磁性粒子在電路上的安全層(53)中不均勻地分布。
4.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其特征在于磁性粒子是嵌入于微珠中的超順磁性粒子。
5.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其特征在于磁性粒子包含硬磁材料。
6.如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其特征在于具有基本平行于安全層的靈敏度軸的磁阻傳感器成型為具有基本垂直于靈敏度軸的方向中長度的條紋形狀。
7.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還提供有存儲安全元件的阻抗的初始實際值作為基準(zhǔn)值的存儲器。
8.提供有如權(quán)利要求1-7中任意之一的半導(dǎo)體器件的載體。
9.適用于權(quán)利要求8的載體的讀卡器，其特征在于，為了產(chǎn)生引起磁性粒子在基本垂直于安全層中的磁化的外部磁場，存在磁化裝置。
10.如權(quán)利要求9的讀卡器，其特征在于存在用來測量外部磁場的基準(zhǔn)傳感器，使得外部磁場可以被校準(zhǔn)。
11.如權(quán)利要求9的讀卡器，其特征在于磁化裝置是消磁電路的一部分。
12.一種權(quán)利要求1-7中任意之一的半導(dǎo)體器件的初始化方法，包括步驟-確定安全元件的阻抗的初始實際值；-將初始實際值作為基準(zhǔn)值存儲于半導(dǎo)體器件的存儲器中，或存儲于位于如權(quán)利要求9的讀卡器中或連接至讀卡器的中央數(shù)據(jù)庫設(shè)備中。
13.一種檢驗如權(quán)利要求1-7中任意之一的半導(dǎo)體器件的真實性的方法，通過權(quán)利要求12的方法初始化該器件，包含步驟-確定安全元件的阻抗的實際值；-從存儲器中讀取基準(zhǔn)值；-比較實際值和基準(zhǔn)值，和-只有當(dāng)實際值與基準(zhǔn)值之間的差低于預(yù)定閾值時，才認(rèn)可該半導(dǎo)體器件的真實性。
14.如權(quán)利要求12或13的初始化或檢驗方法，其特征在于確定實際值的步驟包含下列步驟-在標(biāo)準(zhǔn)外部磁場中測量截止態(tài)值；-產(chǎn)生外部磁場以引起磁性粒子在基本垂直于安金層中的磁化；-在外部磁場被切斷之前測量導(dǎo)通態(tài)值；-確定安全元件的阻抗的實際值作為導(dǎo)通態(tài)值和截止態(tài)值之間的差。
15.如權(quán)利要求14的初始化或檢驗方法，其特征在于-嵌入半導(dǎo)體器件的安全層中的至少一部分磁性粒子包含硬磁材料；和-在測量截止態(tài)值之前，為了移除磁性粒子在基本垂直于安全層的方向上的任何現(xiàn)有的磁化，進(jìn)行預(yù)處理。
16.如權(quán)利要求15的檢驗真實性的方法，其特征在于在低于至少一部分磁性粒子的飽和磁化場強的強度下，產(chǎn)生外部磁場。
17.如權(quán)利要求15的檢驗真實性的方法，其特征在于外部磁場是交變的，磁場的幅度向下減小到低于至少一部分磁性粒子的飽和磁化場的平均偏置場。
18.如權(quán)利要求12或13的方法，其特征在于嵌入半導(dǎo)體器件的安全層中的至少一部分磁性粒子包含軟磁材料，且確定實際值的步驟包括下列步驟-產(chǎn)生外部磁場以引起磁性粒子在基本垂直于安全層中的磁化；-在軟磁材料弛豫到其飽和磁化之前，測量第一和第二值，-確定安全元件的阻抗的實際值作為第一和第二值之間的差。
全文摘要
半導(dǎo)體器件具有嵌入有磁性粒子的安全涂層和磁阻傳感器。其提供了對于通過磁阻傳感器和安全涂層限定的安全元件的阻抗的測量。如果存儲了阻抗的初始值，可將實際值與其比較以看出器件是否未被電探查或修改。該比較可用于檢驗器件的真實性。
文檔編號H01L27/04GK1646932SQ03807760
公開日2005年7月27日 申請日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月9日
發(fā)明者P·E·德榮格, R·科霍爾恩, N·A·M·維哈格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司