本公开的实施例的可测量的物理属性有一个很宽的范围/可变性(例如，电压响应、电容响应、电感响应等)，并提供具有更高的可靠性和对比特错误具有较低的敏感性的PUF。通过增加物理特性的可变性，特定值在或者接近用于从物理不可克隆功能计算一个二进制码的测量器件的阈值的可能性减少。因此，即使由于温度或老化造成PUF的改变，从PUF导出的二进制密钥不太可能会随时间和温度明显漂移。通过本公开的实施例可得到的可变性足以为多种多样的器件实现大量的独特的PUF(在百万以上)。此外，PUF值可达到的数量大到足以避免攻击者猜测出特定的模式。
[0022]为了帮助理解发明，图1给出了一个本公开的实施例相关的示例性的器件100(例如，集成电路)的横截面。特别是，器件100包括衬底或芯片裸片160，其可能是由晶体硅
(Si)，锗(Ge)，硅锗(SiGe)，砷化镓(GaAs)，或其他半导体，以及用于形成晶体管、电阻器、电容器和其它结构的其它材料形成的。尽管图1的例子是指芯片裸片160，本公开不限于此。例如，芯片裸片可以是从共同的衬底形成的多个芯片裸片中的一个芯片裸片。因此，本公开的实施例可以包括多个芯片裸片分离前的衬底。正如以下进一步的详细描述，形成该集成电路的前端的部分的芯片裸片160，可能有一些其上形成的结构，诸如一个或多个高k/金属栅的阵列，以及读取用于PUF的该高k/金属栅的一个或多个物理特性的测量电路120。如图1所示，为便于理解，有一个高k/金属栅(或高k/金属栅器件)110。该高k/金属栅110可以包括N型或P型场效应晶体管，或任何数量的其他类似的结构。因此，该高k/金属栅110只是通过举例的方式，而不是限制的方式显示。在任何情况下，该高k/金属栅110包括在高K介电质114上的高K金属栅116。在某些实施例中，该高k/金属栅110可以进一步包括在高K介电质114和衬底或者芯片裸片160之间的一个界面层115，源/漏区112，一个或多个保护层(例如，应力衬垫117)，和其他组件。
[0023]器件100的后端是一个多层互连结构，包括为在前端的晶体管和在封装中的电源电压、地、和C4s (焊料凸点)之间传输信号的布线。例如，典型的集成电路的后端可以包括绝缘材料，例如，电介质130，其可能包括低k介电材料如硼磷娃玻璃或其他低k材料，以及包括在通孔140和迹线150内形成的铜(Cu)或钨(TU)布线。如图1所示，高K/金属栅110是通过在后端互连结构的通孔140和迹线150内的布线连接来连接到测量电路120的。
[0024]根据本公开的各种实施例，一个或多个高k/金属栅器件(例如，栅极110)形成一个物理不可克隆功能的基础。例如，在一个实施例中，为了确定物理不可克隆功能的签名，测量电路120可以读取一个或多个高K/金属栅器件阵列的一个或多个的物理特性。在图1的例子中，测量电路120只是显示为连接到单个高k/金属栅110。然而，应该认识到，在各种实施例中，测量电路可以连接到两个或多个高k/金属栅器件的阵列，该阵列可以共同地用于一个PUF，从该PUF导出的签名可以用于认证器件。因此，在下面的讨论中使用单个的高k/金属栅器件，应当理解，该讨论同样适用于两个或多个高k/金属栅器件阵列。
[0025]在一个实施例中，测量电路120可从该高k/金属栅器件110接收PUF值(例如，电压响应，电容响应，电阻响应，阻抗响应，透射率，或类似参数)。在图1的实施例中，测量电路120以晶体管(即，高k/金属栅器件110)的电压Vt (阈值电压)的形式测量高k/金属栅器件110的响应。在一些实施例中，测量电路120包括一个压控环形振荡器。在其它实施例中，可以采用不同形式的片上测量电路。例如，在2008年2月15日提交的美国的专利申请12/032100(公开号2009/0206821，2009年8月20日公布)中描述了一个这样的片上测量器件，或传感器件，这里通过参考其全部内容纳入该技术方案。高k/金属栅器件的响应被认为是该高k/金属栅器件110的签名(换句话说，物理不可克隆功能)。
[0026]图4示出了一个显示多个PUF器件(例如，高k/金属栅器件)的高斯分布及PUF值/签名值(在这种情况下指观察到的阈值电压)、以及从PUF器件的物理不可克隆功能值确定二进制密钥(例如，I和O)的临界值的示例图400。在这种情况下，图4示出了用于确定PUF器件的特定的PUF值为I还是为O的临界值.5。横轴代表Vpuf (PUF的值，在一个实施例中可以包括PUF器件的阈值电压Vt)，纵轴表示表现出特定的PUF值的PUF器件的数目。例如，在生产过程中，一个理想的PUF器件(例如，高k/金属栅)可能有一个阈值电压.5。因此，制造商通常会喜欢生产尽可能多的具有与.5尽可能接近(即，变化很小或者没有变化)的PUF值的器件。然而，通过实施本公开的有目的性的可变性增强，可以实现更宽的产量曲线，其中更多的PUF器件(在这种情况下，指高k/金属栅器件)有大于或小于.5的PUF值。值得注意的是，在图4的例子，用于确定PUF的值为I还是为零的临界值可以是.5。任何测量的.5以下的值将被归类为0，而任何测量的.5以上的值被归类为I。应当指出的是，当PUF值(Vpuf)接近临界值(例如，.5)，温度的变化以及随着时间的变化，可能导致PUF的值波动，因此造成二进制密钥的比特错误。因此，特定的PUF器件的PUF值能够制造得越远离临界值，时间和温度的变化将引起PUF值跨越阈值并且从O到I或相反的切换的可能性越小；因此，随着时间的推移二进制密钥越稳定。此外，尽管图4可能与从电压响应(例如，阈值电压(Vt))导出的PUF值相关，在其他实施例中的PUF的值可能从其它可测量的属性中导出，在这些其它的属性中，例如，电阻，电容，阻抗或透射率。因此，类似的临界值可以应用到这些其它值来区分I和O。
[0027]图2描述了一个根据本公开的实施例的示例性的测量电路的操作(例如，图1中的测量电路120)。特别是，图2的实施例可以包括一个片上测量电路(即，位于集成电路本身内部，如在集成电路的裸片内)，被配置为测量一个或多个在衬底(或者芯片裸片/集成电路)上形成的包含物理不可克隆功能的高k/金属栅的电压响应(例如，阈值电压(Vt))，电阻响应，电容响应等。如图2左端所示，测量电路200包括一个检测电路210，一个压控振荡器220，分频器230和计数器240。在一个实施例中，该检测电路210测量一个或多个高k/金属栅器件(例如，PUFI, PUF2, PUF3-PUFn，如图2所示)。一个或多个高k/金属栅的响应被检测电路用于将PUF值转换为电压值，这将影响压控振荡器220的振荡频率。在一些实施例中，可能代表一个或多个高k/金属栅器件的被测量的PUF值的该压控振荡器220的输出被分频器230接收。分频器230和计数器240将通过检测电路被PUF值影响的压控制振荡器的信号转换为数字值，或者二进制表示。例如，PUF值与压控振荡器信号220的周期、或在一个给定的时间内的周期/振荡次数相关。为了决定特定的PUF值应该被归类为O还是1，计数器240测量/确定该周期。对一个或多个栅极器件重复这一过程，创建一个二进制集。根据各种实施例，该二进制集(以下又称为码，或密钥)作为认证设备的加密密钥。值得注意的是，该码从来不以二进制形式存储在测量器件上。还应指出的是，虽然描述了一种基于二进制的密钥，本公开不限于此。即，其他的，进一步的，不同的实施例可以结合在一个基于三元的或类似的系统中。
[0028]在图2的右侧，各种单独的的高k/金属栅器件的响应在第一列被表达成PUF值，即PUFl的Vt，PUF2的Vt，等等。PUF的值会通过检测电路210会影响压控制振荡器220产生的振荡周期的数量，然后将由计数器240对该数量计数，从而确定二进制值。识别二进制值的阈值可以通过对振荡周期计数的计数器240设置。
[0029]在一个实施例中，还可以包括一个温度传感器和电路实现温度补偿算法来考虑器件操作温度的变化。例如，PUF的值可能在一个感兴趣的范围内相对于温度变化。因此，温度补偿算法可能引起对PUF的值的相对于一个稳定的参考温度的可预见的变化。此外，虽然结合图2描述了片上测量电路的一个例子，在另外一个、进一步和不同的实施例中，测量电路可以以各种形式被采用。例如，测量电路可以采用如在Suh等人的“Physical UnclonableFunct1ns for Device Authenticat1n and Secret Key Generat1n”(器件认证和密钥产生的不可克隆功能)Proceedings of the44th Design Automat1n Conference (第四届自动化设计会议文集)，San Diego, CA, June 2007,或者2008年2月15日申请的美国专利申请12/032，100(公开号:2009/0206821，公开日:2009年8月20日)中描述的，其中上述每个在这里被纳入参考全文。
[0030]正如上面提到的，在不同的实施例中，高k/金属栅的属性的可变性使用激光退火会被增加。例如，在一个实施例中，激光退火过程中涉及准分子激光加热高k电介质和/或衬底(例如，Si衬底)的使用，从而引起的娃衬底的再结晶和/或尚k电介质的形态改变。通过激光局部加热所造成的改变，导致高k/金属栅器件的电输出的变化。这造成在高k/金属栅器件可测量特性的变化，因此，导致二进制的密钥值的变化和分离。在一个实施例中，激光退火包含30纳秒紫外激光脉冲的应用。在某些情况下，激光退火导致在高k电介质或衬底(或激发区域的附近)的局部热点，局部热点允许原子在硅或高k介电材料中扩散以及不同程度地渗透到各层。一旦冷却，主体材料重结晶，在晶格中固定掺杂剂，导致在很宽的范围内