基于磁阻式随机存取存储器磁性隧道结的电阻率的物理不可克隆函数的制作方法
【专利说明】基于磁阻式随机存取存储器磁性隧道结的电阻率的物理不可 克隆函数
[00011 优先权申请
[0002] 本专利申请案主张2013年9月9日申请的标题为"基于磁阻式随机存取存储器磁性 隧道结的电阻率的物理不可克隆函数（PHYSICALLY UNCLONABLE FUNCTION BASED 0N RESISTIVITY OF MAGNETORESISTIVE RANDOM-ACCESS MEMORY MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS)"的第61/875,652号美国临时专利申请案和2013年11月5日申请的标题为"基于 磁阻式随机存取存储器磁性隧道结的电阻率的物理不可克隆函数（Ρ Η Y SI C A L L Y UNCLONABLE FUNCTION BASED ON RESISTIVITY OF MAGNETORESISTIVE RANDOM-ACCESS MEMORY MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS)"的第14/077,093号美国非临时专利申请案的优先 权，其完整揭示内容特此以引用的方式明确并入本文中。
技术领域
[0003] 各种特征涉及物理不可克隆函数(PUF)，且特定来说，涉及基于磁阻式随机存取存 储器(MRAM)磁性隧道结(MTJ)的电阻率的PUF。
【背景技术】
[0004] 片上PUF是采用集成电路（1C)内部的制造工艺变化的芯片唯一的询问-响应机构。 当向PUF施加物理刺激（即，询问）时，PUF由于刺激与采用PUF的装置的物理微观结构的复杂 交互而以不可预测的但可重复的方式产生响应。此准确微观结构取决于在采用PUF的装置 的制造期间引入的不可预测的物理因素。PUF的"不可克隆性"意指采用PUF的每个装置具有 将询问映射到响应的唯一的且不可预测的方式，即使一个装置以与另一表面相同装置相同 的过程制造。因此，几乎不可能建构具有与另一装置的PUF相同的密码-响应行为的PUF，因 为对制造过程的精确控制是不可能的。
[0005] PUF对于每一芯片来说是唯一的，是难以预测的，是易于评估的，且是可靠的。PUF 为单独的，且几乎不可能进行复制。另外，PUF可充当信任根，且可提供无法容易地进行反向 工程设计的密钥。PUF可用以保护关键数据(密钥或存储器)免受离线攻击。
[0006] 磁阻式随机存取存储器(MRAM)为非易失性随机存取存储器，其中不同于常规RAM， 数据并不存储为电荷，而是作为电子自旋存储于磁性存储元件内。图1说明磁性存储元件 100的简化示意图，所述磁性存储元件形成在现有技术中发现(且在图2中描绘)的MRAM电路 单元的部分。参看图1，磁性存储元件100包含由极薄绝缘层106分离的第一铁磁层102和第 二铁磁层104。磁性层102、104各自拥有具有特定极性方向的磁场。第二磁性层104可为永久 磁体，其具有固定的磁极性(如实心箭头所示）。第一磁性层102的磁极性并不固定，且可由 外部磁场(未图示)改变。举例来说，如虚线箭头所指示，第一磁性层102的磁极性可与第二 磁性层104的磁极性平行或反向平行地定向。薄绝缘层106由分离两个磁性层102、104的极 薄绝缘材料制成。薄绝缘层106也被称作"隧穿层"，因为其太过薄以致于电子可流过（即，隧 穿)其在两个磁性层102、104之间的厚度，即使隧穿层106是绝缘体。
[0007] 如果第一磁性层102的极性经定向以使得其平行于第二磁性层104,那么层102、 104之间的电阻相对较低（即，低电阻状态）。此状态可被视为表示数据位"0"状态。相比之 下，如果第一磁性层102的极性经定向以使得其与第二磁性层104反向平行，那么层102、104 之间的电阻相对较高（即，高电阻状态）。此状态可被视为表示数据位"Γ状态。
[0008] 图2说明MRAM存储器单元电路200。耦合到磁性存储元件100的晶体管202控制穿过 所述磁性存储元件100的电流流动。如果晶体管202被接通，那么电流流过磁性存储元件 100。取决于磁性存储元件100的电阻状态（即，数据位状态），电流将相对较高或相对较低。 因此，通过接通晶体管202及确认电流流过读线204，可从MRAM电路单元200读取数据。相对 较高的电流意味着磁性存储元件的电阻状态较低，且因此存储"〇"位。相对较低的电流意味 着磁性存储元件的电阻状态较高，且因此存储"Γ位。
[0009] 参看图1和2,通过改变第一磁性层102的极性，可将数据写入到单元200。写线206 向磁性存储元件100供应电流，此举使得第一磁性层102的极性改变方向，且因此所存储的 数据位从"Γ改变为"0"，或从"0"改变为"Γ。
[0010] 图3说明磁性存储元件100的示意图的另一更详细实例，所述磁性存储元件可形成 自旋转移力矩（STT)MRAM电路单元200的部分。如图所示，第一磁性层102可被称为"自由 层"，且第二磁性层104形成"钉扎参考层"的一部分。自由层相对于钉扎参考层的第二磁性 层104的磁极性方向确定STT MRAM单元200的逻辑状态(例如，两个层102、104的平行定向为 "0"状态，且反向平行定向为T状态）。反铁磁(AFM)层302控制钉扎参考层的磁极性定向。
[0011] 图4和5展示STT MRAM单元200的自由层102的顶部示意图。具体来说，图4展示根据 第一状态（例如，状态"〇"）的自由层1 〇2的磁极性(箭头）的定向，且图5展示根据第二状态 (例如，状态"1"）的自由层102的磁极性(箭头)的定向，所述定向与第一状态的定向相反。自 由层102的磁极性将在沿着如图所示的自由层102的长轴的那两个方向中的一者处定向。
【发明内容】
[0012] 一个方面提供使用基于MRAM的存储器单元阵列来实施物理不可克隆函数(PUF)。 向包含多个磁性隧道结的磁阻式随机存取存储器(MRAM)存储器单元的阵列发布询问，其中 询问包含磁性隧道结中的至少一些的多个MRAM单元地址。接着通过确认磁性隧道结的电阻 以产生阵列的至少部分映射，可获得对询问的响应。针对基于MRAM的PUF的多个存储器单元 而产生的响应可用以唯一地识别电子装置，例如集成电路。另外，可对存储器单元施加磁 场，以在发布询问之前在固定定向上布置所有磁性隧道结。举例来说，所有磁性隧道结可为 平行或反向平行的。
[0013] 此外，方法可包含以多个角度对阵列施加多个磁场，其中针对多个磁场获得磁性 隧道结的响应。此外，在一个示范性实施例中，MRAM存储器单元可各自包含两个磁性隧道 结。在此示范性实施例中，可通过确认两个磁性隧道结中的仅一者的电阻来获得响应。或 者，每一 MRAM存储器单元可包含两个磁性隧道结。在此状况下，可通过确认两个磁性隧道结 两者的电阻来获得响应。
【附图说明】
[0014] 图1说明形成MRAM电路单元的部分的磁性存储元件的简化示意图。
[0015] 图2说明示范性MRAM存储器单元电路。
[0016]图3说明磁性存储元件的示意图的另一更详细实例。
[0017] 图4展示根据第一状态的图3的自由层的磁极性(箭头)的定向。
[0018] 图5展示根据第二状态的图3的自由层的磁极性(箭头)的定向。
[0019] 图6在概念上说明MRAM电路的物理不可克隆函数(PUF)实施方案。
[0020] 图7在概念上说明存储器单元内的磁性隧道结的不同层的磁定向。
[0021 ]图8说明MRAM存储器单元的示范性阵列。
[0022] 图9说明MRAM单元的示意图。
[0023]图10说明可如何确定两个磁性隧道结的电阻的实例。
[0024]图11在概念上说明包含耦合到接口的一百个单元(C00到C99)的阵列的装置。
[0025]图12说明操作性地耦合到MTJ_RB线和MTJ_R线的MRAM单元的另一实例的示意图。 [0026]图13说明处于状态"0"和状态"Γ两者的MRAM阵列的电阻分布的曲线图。
[0027] 图14说明MRAM单元可如何经受外部磁场的变化角度Θ。
[0028] 图15说明包含MRAM阵列的电子装置的硬件实施方案的示范性示意框图。
[0029] 图16为说明示范性询问装置的框图，所述示范性询问装置经调适以作为询问/响 应PUF协议的部分询问电子装置。
[0030] 图17为说明示范性电子装置的框图，所述示范性电子装置经调适以作为询问/响 应PUF协议的部分获得响应。
[0031] 图18说明用于获得对物理不可克隆函数(PUF)的询问的响应的方法的流程图。 [0032]图19说明用于获得对物理不可克隆函数(PUF)的询问的响应的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0033] 在以下描述中，给出具体细节以提供对本发明的各种方面的透彻理解。然而，所属 领域的技术人员应理解，可以在不具有这些具体细节的情况下实践所述方面。举例来说，可 用框图展示电路以便避免以不必要的细节混淆所述方面。在其它情况下，可以不详细展示 众所周知的电路、结构和技术以便不混淆本发明的方面。
[0034] 词语"示范性"在本文中用以意味着"充当实例、例子或说明"。本文中描述为"示范 性"的任何实施方案或方面未必应解释为比本发明的其它方面优选或有利。同样，术语"方 面"不要求本发明的所有方面包含所论述的特征、优点或操作模式。
[0035] 概述
[0036] 本文中描述了方法和设备，其实施基于磁阻式随机存取存储器(MRAM)电路单元阵 列的物理不可克隆函数(PUF)。具体来说，利用MRAM阵列的MRAM电路单元的个别磁性隧道结 (MTJ)的唯一和随机电阻作为用于实施和执行PUF的基础。由基于MRAM的PUF产生的响应可 用以唯一地识别电子装置(例如集成电路），所述电子装置并有基于MRAM的PUF。或者，由PUF 产生的存储器单元响应可被用作用于密码安全算法的安全加密密钥。本文中描述了利用 MRAM电路来产生PUF的新颖装置和方法。
[0037] 示范性基于MRAM的PUF和用于实施所述基于MRAM的PUF的方法
[0038]图6在概念上说明MRAM电路的物理不可克隆函数(PUF)实施方案。存储器装置600 可经配置以在接收询问606后，即刻提供响应602。在一个实例中，可在并有基于多个存储器 单元或存储器阵列的物理不可克隆函数的芯片或半导体内发现存储器装置600。
[0039] 询问606可为待查询的或将从其中获得响应的存储器单元或多个存储器单元(例 如，存储器单元阵列）的指示。可进行样本测量604以确认来自存储器单元的一或多个响应。 在一个实例中，可对多个存储器单元(例如，在存储器阵列内或在芯片或多个芯片上的多个 位置处)进行此些样本测量604。这些存储器单元(或其位置)可经索引或映射608到对应测 量或响应，且可以不同方式(例如，百分比、绝对值、逻辑状态等)进行量化610。以此方式，可 从存储器装置60