ГЕТЕРОГЕННАЯ 3D МИКРОСХЕМА, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ КОНФИДЕНЦИАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Настоящая полезная модель относится к области микроэлектроники, а именно к изделиям электронной техники, а именно к 3D микросхемам, состоящим из нескольких кристаллов памяти, расположенных один над другим, соединенных между собой сквозными отверстиями в кремнии или с помощью разварки. 3D микросхема предназначена для обработки и хранения конфиденциальных сведений, которые необходимо защитить от компрометации (например, коды кредитных карт, ключи шифрования).
В настоящее время разработчики все чаще обращаются к применению и проектированию 3D чипов или StackDie, когда тем или иным образом несколько кристаллов располагаются один над другим и располагаются в одном корпусе [1].
Из существующего уровня техники известно большое количество модификаций микросхем, собранных по StackDie технологии [2]. При этом остро стоит вопрос защиты таких микросхем от обратного проектирования, в частности от рентгенографического анализа, от декапсуляции (извлечения из корпуса) для последующего изучения топологии кристаллов, связанных в стек.
В патенте US №7005733 [3] рассматривается микросхема шифрования, в которой в пассивирующий (защитный) слой вводится цепь, ответственная за считывание ключей шифрования или дешифрования, чувствительна по крайней мере к свойствам одного из параметров упомянутого слоя, так что его нарушение, при попытке вскрытия микросхемы, приводит к ошибкам процесса шифрования. Недостатком данного способа защиты является введение лишнего слоя (или слоев) что усложняет конструкцию и топологию кристалла микросхемы.
В патентах US №7008873 [4], US №7294935 [5] рассматриваются метод и структура камуфлирования структуры интегральной микросхемы, по принципу создания «ложных» межсоединений и специфического расположения окисла. Предлагаемые способы не защищают микросхему от полуинвазивных методов (частичное вскрытие корпуса) считывания и применимы только для специфической топологии интегральных микросхем, не могут распространяться например на такой класс интегральных схем, как программируемые логические интегральные схемы. Кроме того, такой способ защиты не применим при изготовлении по так называемой fabless-технологии, когда на фабрику производителя передается полное описание топологии прибора.
В патентах US №5783846 [6], US №5930663 [7] предлагаются варианты топологии, в которых все логические элементы практически одинаковы и визуально неразличимы, что затрудняет интерпретацию реальной блок-схемы прибора. Данный способ защиты подразумевает использование только на ограниченном множестве микросхем (простые логические схемы), поэтому не обладает универсальностью.
В патенте US №7295455 [8] рассмотрена защита структуры и памяти микросхемы от считывания конфиденциальных данных, записанных в ее память, путем введения многочисленных фоточувствительных элементов, что приводит к изменению ее внутренней структуры при вскрытии ее непрозрачного корпуса. Недостатком данного решения является введение лишних фоточувствительных элементов в топологию микросхемы, значительное усложняющих конструкцию и технологию ее изготовления из-за введения дополнительного слоя топологии.
В патенте RU №2455729 [9] полупроводниковый прибор конструктивно состоит из кристалла, содержащего область топологии с конфиденциальными данными, корпуса, вставки из материала с эффектом памяти формы, размещенной под областью топологии в месте механического ослабления, и полимеризованного наполнителя. При воздействии на него специальными методами обратного проектирования будет разрушена именно та область, которая содержит конфиденциальные данные. Техническим результатом работы полезной модели является обеспечение возможности защиты областей топологии кристалла, содержащих конфиденциальные данные от обратного проектирования, путем механического разрушения именно того участка топологии, который содержит конфиденциальную информацию.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент RU №2455728 [10], в котором описывается полупроводниковый прибор, включающем корпус с кристаллом интегральной схемы, вставку из материала с эффектом памяти формы, расположенную внутри корпуса прибора таким образом, чтобы при обнаружении изменения температуры вследствие нарушения целостности корпуса полупроводникового прибора происходило разрушение кристалла прибора. Вставка из материала с эффектом памяти формы имеет температуру трансформации выше максимальной рабочей температуры прибора, внутренний объем прибора заполняется полимеризованным наполнителем с температурой размягчения выше температуры трансформации упомянутой вставки с эффектом памяти формы, а трансформированная форма вставки выбирается таким образом, чтобы при трансформации происходило разламывание кристалла по крайней мере по двум непараллельным осям. Техническим результатом работы полезной модели является улучшение качества уничтожения кристалла прибора за счет разламывания кристалла на большое число обломков.
Недостатками данного технического решения, является доступность конфиденциальной информации для считывания, если кристаллов памяти несколько или они выполнены по технологии StackDie, так как внедрение нескольких вставок из материала с памятью формы или других дополнительных мер физической защиты значительно усложнит конструкцию и сделает невозможным объединение нескольких микросхем в стек при помощи сквозных соединений в кремнии, также недостатком является возможность проведения рентгенографических исследований образца выявление вставки и парирование защиты.
Из существующего уровня техники известны материалы, обладающие эффектом памяти формы, в частности сплавы на основе титана и никеля, содержащие в качестве добавки гафний, которые имеют температуру трансформации в диапазоне температур от 100 до 300°C в зависимости от процентного содержания гафния в сплаве [11].
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель является устранение недостатков прототипа, а именно, защита конфиденциальной информации во всех кристаллах памяти 3D микросхемы, изготовленной по технологии StackDie без увеличения количества вставок из материала с памятью формы.
Данная задача решается за счет того, что заявленная
3D микросхема, состоящая из корпуса, одного или более кристаллов энергонезависимой памяти, содержащих конфиденциальную информацию и расположенных один над другим, связь между которыми осуществляется с помощью сквозных отверстий в кремнии или с помощью разварки проводников, а также одного управляющего кристалла, включающего, по крайней мере, функциональные блоки шифрования, получения физически неклонируемой функции, и статической оперативной памяти для вычисления физически неклонируемой функции, причем описанный кристалл выполняет функцию доступа к данным и шифрования всех данных, записываемых на кристаллы памяти и дешифрования данных считываемых с кристаллов памяти «на лету»; к управляющему кристаллу, использующему физически неклонируемую функцию прилегает вставка из материала с эффектом памяти формы, расположенная внутри корпуса таким образом, чтобы при обнаружении изменения температуры вследствие нарушения целостности корпуса полупроводникового прибора, происходило разрушение кристалла содержащего физически неклонируемую функцию и криптографическое ядро, и характеризующийся тем, что в независимости от количества и взаимного расположения кристаллов памяти доступ к конфиденциальной информации, содержащейся во всех кристаллах памяти, невозможен за счет разламывания кристалла, содержащего криптографическое ядро и функциональный блок для получения физически неклонируемой функции на большое число обломков, причем вставка из материала с эффектом памяти формы имеет температуру трансформации выше максимальной рабочей температуры прибора; внутренний объем прибора заполняется полимеризованным наполнителем с температурой размягчения выше температуры трансформации упомянутой вставки с эффектом памяти формы, а трансформированная форма вставки выбирается таким образом, чтобы при трансформации происходило разламывание управляющего кристалла по крайней мере по двум непараллельным осям.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является целенаправленное разрушение кристалла, содержащего функциональный блок физически неклонируемой функции и криптографического ядра, с помощью механического разрушения вставкой с эффектом памяти формы, что значительно усложняет считывание конфиденциальной информации с кристаллов памяти 3D микросхемы, так как физически неклонируемая функция не может быть восстановлена или воспроизведена при разрушении физической структуры, необходимой для ее генерации, при этом затрудняется рентгенографическое исследование такой микросхемы, за счет закрытием металлом из материала с памяти формы кристаллов по плоскости.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 схематично изображено поперечное сечение 3D микросхемы со вставкой из материала с эффектом памяти формы;
На фиг.2 изображена схема взаимодействия между управляющим кристаллом и кристаллом памяти;
На фиг.3 схематично изображено поперечное сечение 3D микросхемы со вставками из материала с эффектом памяти формы, выполненной в виде защитного слоя - мембраны и с дополнительной вставкой металла, затрудняющей рентгеновские исследования и идентификацию управляющего кристалла.
3D микросхема, состоит из основания корпуса (9 на фиг.1), шариков припоя корпуса (10, 11 на фиг.1), кристалла энергонезависимой памяти (5, 6, 7, 8 на фиг.1, 3; 6 на фиг.2), который в свою очередь состоит из стандартных слоев металла (8 на фиг.1), «приборного» слоя (7 на фиг.1), подложки кристалла памяти (6 на фиг.1), слоев металла с обратной стороны кристалла памяти (5 на фиг.1), для соединения между кристаллами в 3D микросхеме используются сквозные отверстия в кремнии (1 на фиг.1) и микрошарики припоя для крепления управляющего кристалла к кристаллу памяти (12 на фиг.1), над кристаллом памяти крепится управляющий кристалл (2, 3, 4 на фиг.1; 5 на фиг.2), который в свою очередь состоит из стандартных слоев металла(4 на фиг.1), «приборного» слоя (3 на фиг.1), подложки управляющего кристалла (2 на фиг.1). Управляющий кристалл (5 на фиг.2) содержит функциональные блоки получения физически неклонируемой функции (1 на фиг.2), сенсор для получения отклика от физически неклонируемой функции (2 на фиг.2), блока воспроизводства физически неклонируемой функции (3 на фиг, 2), который осуществляет сложение физически неклонируемой функции управляющей микросхемы с данными от кристалла памяти, хэширует полученную цепочку и передает криптографическому ядру (4 на фиг.2) для шифрования. Вставка из материала с эффектом памяти формы (13 на фиг.1) и с температурой трансформации ниже, чем у рабочего слоя расположена вплотную к кристаллу таким образом, чтобы при трансформации происходило механическое разрушение управляющего кристалла, по крайней мере, по двум непараллельным осям. Возможны различные варианты размещения такой вставки с различной геометрией трансформации (14 фиг.1). Также возможен вариант изготовления вставки из материала с памятью формы в виде защитного слоя (3 на фиг.3), изолированного с помощью слоев диэлектрика (4 на фиг.3) с предварительно определенной геометрией трансформации (1 на фиг.3), который является частью управляющего кристалла (7, 8, 9, 10 на фиг.3), который в свою очередь состоит из стандартных слоев металла (10 на фиг.3), «приборного» слоя (9 на фиг.3), подложки кристалла (8 на фиг.3), слоев металла с обратной стороны кристалла памяти (7 на фиг.3), для соединения между кристаллами в 3D микросхеме используются сквозные отверстия в кремнии (2 на фиг.3), причем дополнительная вставка из металла (с памятью формы или нет) (5 на фиг.3), размещенная над верхним кристаллом (6 на фиг.3) в стеке 3D микросхемы позволяет затруднить рентгеновские исследования и усложнить идентификацию управляющего кристалла и работающей вставки из материала с памятью формы.
Вставка из материала с памятью формы может быть изготовлена как изолированный слой микросхемы.
Дополнительные вставки (слои) металла могут усложнить идентификацию кристалла управления с помощью методов рентгеновского исследования.
Важной особенностью конструкции является устойчивость к атакам по считыванию памяти в активном режиме (через отверстие в корпусе), так как нарушение целостности корпуса приведет к срабатыванию вставки из материала с эффектом памяти формы.
Работает 3D микросхема, предназначенная для хранения конфиденциальных данных следующим образом: в стандартном режиме данные в микросхеме памяти шифруются с помощью физически неклонируемой функции и криптографического ядра и не хранятся на кристалле памяти в незашифрованном виде, при детектировании нарушения целостности корпуса полупроводникового прибора происходит изменение температуры внутри полупроводникового прибора, что, в свою очередь, приводит к восстановлению трансформированной вставкой из материала с эффектом памяти формы (10 на фиг.1; 3 на фиг.3) своей первоначальной формы при этом геометрия вставки меняется установленным образом, происходит разрушение управляющего кристалла 3D микросхемы, что делает невозможным получение доступа к конфиденциальной информации, записанной на микросхеме памяти, даже если удалось считать данные, записанные на кристаллах памяти.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Jackson М.А Silicon Interposer-based 2.5D-IC Design Flow, Going 3D by Evolution Rather than by Revolution. Интернет ресурс компании Synopsys. URL: SynopsysInsight/Pages/Art3-3ddesign-flow-IssQ1-12.aspx. Дата доступа 11.06.2012.
2. Бондарь Д. Современные технологии изготовления чипов и сборки в полупроводниковой электронике // Технологии в электронной промышленности. №7. 2011 с.52-60.
3. Anti tamper encapsulation for an integrated circuit. Патент US №7005733, МПК H01L 23/02, опубликован 28.02.2006.
4. Integrated circuit with reverse engineering protection. Патент US №7008873, МПК H01L 21/44, H01L 21/00, H01L 21/84, H01L 21/338, H01L 21/4763, опубликован 28.07.2005.
5. Integrated circuits protected against reverse engineering and method for fabricating the same using an apparent metal contact line terminating on field oxide. Патент US №7294935, МПК H01L 23/52, H01L 29/40, опубликован 25.07.2002.
6. Digital circuit with transistor geometry and channel stops providing camouflage against reverse engineering. Патент US №5783846, МПК H01L 27/10, опубликован 21.07.1998.
7. Digital circuit with transistor geometry and channel stops providing camouflage against reverse engineering. Патент US №5930663, МПК H01L 27/10, опубликован 27.07.1999.
8. Semiconductor integrated circuit with photo-detecting elements for reverse-engineering protection. Патент US №7295455, МПК G11C 13/04, опубликован 16.08.2007.
9. Полупроводниковый прибор с защитой областей топологии кристалла, содержащих конфиденциальные данные от обратного проектирования. Патент РФ №2455729, МПК H01L 27/02, опубликован 10.07.2012.
10. Полупроводниковый прибор, защищенный от обратного проектирования. Патент РФ №2455728, МПК H01L 27/02, опубликован 10.07.2012.
11. High Transformation Temperature Shape Memory Alloy. Патент US №5114504. 148/402, МПК C22C 19/00, опубликован 19.05.1992.