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 ] 優先權要求
[0002]本專利申請案主張2013年9月9日提交的發明名稱為“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先權，這些專利申請案的全部揭示內容特此以引用的方式明確并入本文中。
技術領域
[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，磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)單元)的陣列的擊穿電壓的PUF。
【背景技術】
[0004]片上PUF是采用集成電路(1C)內部的制造工藝變化的芯片唯一的詢問-響應機構。當向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構的復雜交互而以不可預測的但可重復的方式產生響應。此準確微觀結構取決于在采用PUF的裝置的制造期間引入的不可預測的物理因素。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的唯一的且不可預測的方式，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-響應行為構造PUF幾乎是不可行的，因為對制造工藝的準確控制是不可行的。
[0005]圖1說明現有技術中存在的金屬-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可擊穿且導電“針孔”(圖中未展示)可在絕緣體層106內形成。導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RAM不同的非易失性隨機存取存儲器，其替代地將數據作為電子自旋而不是作為電荷存儲在磁性存儲元件內。圖2說明現有技術中存在的自旋轉移力矩(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]隧道結層206位于自由層202與參考層的第一鐵磁層204之間。隧道結層206由例如氧化鎂(MgO)等的非常薄的絕緣材料制成。隧道結層206太薄，使得盡管層206是絕緣體，電子實際上也可流過(例如，遂穿過)層206。在大部分現有技術MRAM應用中，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據位狀態(例如，數據位“1”或數據位“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，那么隧道結層206擊穿且導電針孔形成于薄絕緣層206內。致使隧道結層206擊穿的信號線電壓在本文中還可稱為擊穿電壓Vbr。穿過隧道結層206的厚度的導電針孔(圖中未展示)致使隧道結層206的電阻顯著降低。通常，擊穿的隧道結層206是永久的并且形成的針孔無法復原/清除。MRAM單元200的擊穿電壓Vbr應大于單元200的過渡電壓Vt。
[0010]需要實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的方法及設備。具體來說，需要基于MM陣列內的多個MM(例如，MRAM單元陣列內的MRAM單元)之間的隨機擊穿電壓VBR變化實施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。

【發明內容】

[0011]一個特征提供用于實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裝置各自經配置以表示第一電阻邏輯狀態及第二電阻邏輯狀態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，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過渡到所述第二電阻邏輯狀態的電壓電平，所述第一電阻邏輯狀態具有大于所述第二電阻邏輯狀態的電阻;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擊穿且從所述第一電阻邏輯狀態過渡到所述第二電阻邏輯狀態，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。根據一個方面，所述方法進一步包括向Μ頂裝置的陣列發送詢問，所述詢問讀取所述陣列中的選定Μ頂裝置的邏輯狀態;及從ΜΙΜ裝置的所述陣列中獲得對詢問的響應，所述響應包含所述陣列中的所述選定Μ頂裝置的所述邏輯狀態。根據另一方面，Μ頂裝置的陣列是各自具有磁性隧道結的裝置的陣列。
[0012]根據一個方面，Μ頂裝置的陣列是磁阻式隨機存取存儲器(MRAM)電路單元的陣列。根據另一方面，詢問包含MRAM裝置地址信息且響應包含對應于MRAM裝置地址信息的MRAM裝置的數據位信息。根據又另一方面，MRAM電路單元缺少反鐵磁(AFM)釘扎層。
[0013]根據一個方面，MRAM電路單元具有包含單個鐵磁層的參考層。根據另一方面，信號線電壓Vsl約等于電壓電平V3，所述電壓電平對應于致使陣列中的約一半MIM裝置擊穿且將邏輯狀態從第一電阻邏輯狀態改變到第二電阻邏輯狀態的電壓電平。根據又另一方面，在施加信號線電壓Vsl之后，將陣列中的Μ頂裝置的邏輯狀態存儲于安全存儲器中。
[0014]根據一個方面，在施加信號線電壓Vsl之后，陣列中的ΜΙΜ裝置的邏輯狀態充當唯一地識別電子裝置的密碼密鑰。根據另一方面，在施加信號線電壓Vsl之后，陣列中的MIM裝置的邏輯狀態由密碼安全算法利用。
[0015]另一特征提供用于實施物理不可克隆功能(PUF)的設備。所述設備包括金屬-絕緣體-金屬(MIM)裝置的陣列，其各自經配置以表示第一電阻邏輯狀態及第二電阻邏輯狀態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，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過渡到所述第二電阻邏輯狀態的電壓電平，所述第一電阻邏輯狀態具有大于所述第二電阻邏輯狀態的電阻;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擊穿且從所述第一電阻邏輯狀態過渡到所述第二電阻邏輯狀態，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。根據一個方面，所述處理電路進一步經配置以向MM裝置的陣列發送詢問，所述詢問讀取所述陣列中的選定Μ頂裝置的邏輯狀態并且從MM裝置的所述陣列中獲得對所述詢問的響應，所述響應包含所述陣列中的所述選定ΜΙΜ裝置的所述邏輯狀態。