基于金屬-絕緣體-金屬裝置的擊穿電壓的物理不可克隆功能的制作方法
【專利說明】 基于金屬-絕緣體-金屬裝置的擊穿電壓的物理不可克隆功能[0001 ] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本專利申請案主張2013年9月9日提交的發(fā)明名稱為“基于金屬-絕緣體-金屬裝置的擊穿電壓的物理不可克隆功能(PHYSICALLY UNCLONABLE FUNCT1N BASED ONBREAKDOWN VOLTAGE OF METAL-1NSULATOR-METAL DEVICE)” 的第61/875,584號美國臨時專利申請案以及2013年11月5日提交的發(fā)明名稱為“基于金屬-絕緣體-金屬裝置的擊穿電壓的物理不可克隆功能(PHYSICALLY UNCLONABLE FUNCT1N BASED ON BREAKDOWN VOLTAGEOF METAL-1NSULATOR-METAL DEVICE)”的第14/072,735號美國非臨時專利申請案的優(yōu)先權(quán)，這些專利申請案的全部揭示內(nèi)容特此以引用的方式明確并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]各個特征涉及物理不可克隆功能(PUF)，且具體來說涉及基于金屬-絕緣體-金屬裝置(例如，磁阻式隨機(jī)存取存儲器(MRAM)單元)的陣列的擊穿電壓的PUF。
【背景技術(shù)】
[0004]片上PUF是采用集成電路(1C)內(nèi)部的制造工藝變化的芯片唯一的詢問-響應(yīng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)向PUF施加物理刺激(即，詢問)時，PUF由于刺激與采用PUF的裝置的物理微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜交互而以不可預(yù)測的但可重復(fù)的方式產(chǎn)生響應(yīng)。此準(zhǔn)確微觀結(jié)構(gòu)取決于在采用PUF的裝置的制造期間引入的不可預(yù)測的物理因素。PUF的“不可克隆性”意指采用PUF的每個裝置具有將詢問映射到響應(yīng)的唯一的且不可預(yù)測的方式，即使一個裝置以與另一表面相同裝置相同的工藝制造。因此，以與另一裝置的PUF相同的詢問-響應(yīng)行為構(gòu)造PUF幾乎是不可行的，因?yàn)閷χ圃旃に嚨臏?zhǔn)確控制是不可行的。
[0005]圖1說明現(xiàn)有技術(shù)中存在的金屬-絕緣體-金屬(ΜΠ0裝置100裝置100包含第一金屬層102、第二金屬層104及位于第一金屬層102與第二金屬層104之間的絕緣體層106。如果絕緣體層106足夠薄且施加在第一金屬層102與第二金屬層104之間(S卩，跨越絕緣體層106施加)的電壓電平VF超過某一閾值，那么絕緣體層106可擊穿且導(dǎo)電“針孔”(圖中未展示)可在絕緣體層106內(nèi)形成。導(dǎo)電針孔電耦合第一金屬層102及第二金屬層104并且顯著降低金屬層102、104之間的電阻。通常，此擊穿及針孔形成是不可逆的。施加在第一金屬層102與第二金屬層104之間的致使絕緣體層106擊穿的最小電壓電平在本文中可稱為擊穿電壓Vbr ο
[0006]MRAM是與常規(guī)RAM不同的非易失性隨機(jī)存取存儲器，其替代地將數(shù)據(jù)作為電子自旋而不是作為電荷存儲在磁性存儲元件內(nèi)。圖2說明現(xiàn)有技術(shù)中存在的自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)MRAM電路單元200的至少一部分的示意圖。MRAM單元200包含自由層202、參考層(也稱為“釘扎參考層”)204、隧道結(jié)層206及反鐵磁(AFM)釘扎層208。自由層202是其磁極性不固定但替代地響應(yīng)于外部磁場(圖中未展示)自由地改變方向的鐵磁層。參考層204包含具有相反磁極性的第一鐵磁層205及第二鐵磁層207。與自由層202相比，參考層204具有固定的磁極性，使得在存在前述外部磁場的情況下第一鐵磁層205及第二鐵磁層207的磁極性不改變方向。AFM釘扎層208是控制參考層206的磁極性的反鐵磁層。
[0007]隧道結(jié)層206位于自由層202與參考層的第一鐵磁層204之間。隧道結(jié)層206由例如氧化鎂(MgO)等的非常薄的絕緣材料制成。隧道結(jié)層206太薄，使得盡管層206是絕緣體，電子實(shí)際上也可流過(例如，遂穿過)層206。在大部分現(xiàn)有技術(shù)MRAM應(yīng)用中，自由層202相對于第一鐵磁層205的磁極性方向(例如，彼此平行或彼此反平行)表示兩個不同邏輯數(shù)據(jù)位狀態(tài)(例如，數(shù)據(jù)位“1”或數(shù)據(jù)位“0”)中的一者。
[0008]施加到MRAM單元200的信號線電壓VSL控制電流ISL流過MRAM單元200。舉例來說，施加超過單元200的過渡電壓VT的正電壓Vsl致使電流Isl在圖2中所展示的方向上流動并且還致使自由層202的磁極性改變方向(例如，從平行于第一鐵磁層205的磁極性到反平行于第一鐵磁層205的磁極性)。為了改變回自由層202的磁極性方向，施加超過VT的負(fù)信號線電壓Vsl (例如，地面及圖2中的VsiJ冬端逆向)以致使電流I sl在圖2中所展示的相反方向上流動。
[0009]特別地，如果信號線電壓Vsl致使隧道結(jié)層206的兩個表面211、213之間的電壓差超過閾值電壓，那么隧道結(jié)層206擊穿且導(dǎo)電針孔形成于薄絕緣層206內(nèi)。致使隧道結(jié)層206擊穿的信號線電壓在本文中還可稱為擊穿電壓Vbr。穿過隧道結(jié)層206的厚度的導(dǎo)電針孔(圖中未展示)致使隧道結(jié)層206的電阻顯著降低。通常，擊穿的隧道結(jié)層206是永久的并且形成的針孔無法復(fù)原/清除。MRAM單元200的擊穿電壓Vbr應(yīng)大于單元200的過渡電壓Vt。
[0010]需要實(shí)施基于具有薄絕緣層的金屬-絕緣體-金屬(MM)裝置(例如，MRAM電路單元)的PUF的方法及設(shè)備。具體來說，需要基于MM陣列內(nèi)的多個MM(例如，MRAM單元陣列內(nèi)的MRAM單元)之間的隨機(jī)擊穿電壓VBR變化實(shí)施PUF。此類基于MIM及/或MRAM的PUF可提供用于唯一地識別例如集成電路等電子裝置的安全裝置，及/或提供用于密碼安全算法的安全密碼密鑰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]一個特征提供用于實(shí)施物理不可克隆功能(PUF)的方法。所述方法包括提供金屬-絕緣體-金屬(MIM)裝置的陣列，其中所述MM裝置各自經(jīng)配置以表示第一電阻邏輯狀態(tài)及第二電阻邏輯狀態(tài)中的一者且至少多個所述MM裝置初始地處于所述第一電阻邏輯狀態(tài)，并且所述MM裝置中的每一者具有大于第一電壓￥工且小于第二電壓％的隨機(jī)擊穿電壓VBR，擊穿電壓Vbr表示致使所述MM裝置的薄絕緣體層擊穿且使所述MIM裝置從所述第一電阻邏輯狀態(tài)過渡到所述第二電阻邏輯狀態(tài)的電壓電平，所述第一電阻邏輯狀態(tài)具有大于所述第二電阻邏輯狀態(tài)的電阻;及將信號線電壓Vsl施加到所述MIM裝置中的每一者以致使所述多個Μ頂裝置的至少一部分隨機(jī)擊穿且從所述第一電阻邏輯狀態(tài)過渡到所述第二電阻邏輯狀態(tài)，所述信號線電壓Vsl大于所述第一電壓h且小于所述第二電壓V2。根據(jù)一個方面，所述方法進(jìn)一步包括向Μ頂裝置的陣列發(fā)送詢問，所述詢問讀取所述陣列中的選定Μ頂裝置的邏輯狀態(tài);及從ΜΙΜ裝置的所述陣列中獲得對詢問的響應(yīng)，所述響應(yīng)包含所述陣列中的所述選定Μ頂裝置的所述邏輯狀態(tài)。根據(jù)另一方面，Μ頂裝置的陣列是各自具有磁性隧道結(jié)的裝置的陣列。
[0012]根據(jù)一個方面，Μ頂裝置的陣列是磁阻式隨機(jī)存取存儲器(MRAM)電路單元的陣列。根據(jù)另一方面，詢問包含MRAM裝置地址信息且響應(yīng)包含對應(yīng)于MRAM裝置地址信息的MRAM裝置的數(shù)據(jù)位信息。根據(jù)又另一方面，MRAM電路單元缺少反鐵磁(AFM)釘扎層。
[0013]根據(jù)一個方面，MRAM電路單元具有包含單個鐵磁層的參考層。根據(jù)另一方面，信號線電壓Vsl約等于電壓電平V3，所述電壓電平對應(yīng)于致使陣列中的約一半MIM裝置擊穿且將邏輯狀態(tài)從第一電阻邏輯狀態(tài)改變到第二電阻邏輯狀態(tài)的電壓電平。根據(jù)又另一方面，在施加信號線電壓Vsl之后，將陣列中的Μ頂裝置的邏輯狀態(tài)存儲于安全存儲器中。
[0014]根據(jù)一個方面，在施加信號線電壓Vsl之后，陣列中的ΜΙΜ裝置的邏輯狀態(tài)充當(dāng)唯一地識別電子裝置的密碼密鑰。根據(jù)另一方面，在施加信號線電壓Vsl之后，陣列中的MIM裝置的邏輯狀態(tài)由密碼安全算法利用。
[0015]另一特征提供用于實(shí)施物理不可克隆功能(PUF)的設(shè)備。所述設(shè)備包括金屬-絕緣體-金屬(MIM)裝置的陣列，其各自經(jīng)配置以表示第一電阻邏輯狀態(tài)及第二電阻邏輯狀態(tài)中的一者且至少多個所述MM裝置初始地處于所述第一電阻邏輯狀態(tài)，所述MM裝置中的每一者具有大于第一電壓％且小于第二電壓％的隨機(jī)擊穿電壓VBR，所述擊穿電壓VBR表示致使所述MM裝置的薄絕緣體層擊穿且使所述MM裝置從所述第一電阻邏輯狀態(tài)過渡到所述第二電阻邏輯狀態(tài)的電壓電平，所述第一電阻邏輯狀態(tài)具有大于所述第二電阻邏輯狀態(tài)的電阻;及處理電路，其以通信方式耦合到所述Μ頂裝置并且經(jīng)配置以將信號線電壓Vsl施加到所述Μ頂裝置中的每一者，以致使所述多個MM裝置的至少一部分隨機(jī)擊穿且從所述第一電阻邏輯狀態(tài)過渡到所述第二電阻邏輯狀態(tài)，所述信號線電壓Vsl大于所述第一電壓％且小于所述第二電壓V2。根據(jù)一個方面，所述處理電路進(jìn)一步經(jīng)配置以向MM裝置的陣列發(fā)送詢問，所述詢問讀取所述陣列中的選定Μ頂裝置的邏輯狀態(tài)并且從MM裝置的所述陣列中獲得對所述詢問的響應(yīng)，所述響應(yīng)包含所述陣列中的所述選定ΜΙΜ裝置的所述邏輯狀態(tài)。