基于金属-绝缘体-金属装置的击穿电压的物理不可克隆功能的制作方法
【专利说明】 基于金属-绝缘体-金属装置的击穿电压的物理不可克隆功能[0001 ] 优先权要求
[0002]本专利申请案主张2013年9月9日提交的发明名称为“基于金属-绝缘体-金属装置的击穿电压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号美国临时专利申请案以及2013年11月5日提交的发明名称为“基于金属-绝缘体-金属装置的击穿电压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号美国非临时专利申请案的优先权，这些专利申请案的全部揭示内容特此以引用的方式明确并入本文中。
技术领域
[0003]各个特征涉及物理不可克隆功能(PUF)，且具体来说涉及基于金属-绝缘体-金属装置(例如，磁阻式随机存取存储器(MRAM)单元)的阵列的击穿电压的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工艺制造。因此，以与另一装置的PUF相同的询问-响应行为构造PUF几乎是不可行的，因为对制造工艺的准确控制是不可行的。
[0005]图1说明现有技术中存在的金属-绝缘体-金属(ΜΠ0装置100装置100包含第一金属层102、第二金属层104及位于第一金属层102与第二金属层104之间的绝缘体层106。如果绝缘体层106足够薄且施加在第一金属层102与第二金属层104之间(S卩，跨越绝缘体层106施加)的电压电平VF超过某一阈值，那么绝缘体层106可击穿且导电“针孔”(图中未展示)可在绝缘体层106内形成。导电针孔电耦合第一金属层102及第二金属层104并且显著降低金属层102、104之间的电阻。通常，此击穿及针孔形成是不可逆的。施加在第一金属层102与第二金属层104之间的致使绝缘体层106击穿的最小电压电平在本文中可称为击穿电压Vbr ο
[0006]MRAM是与常规RAM不同的非易失性随机存取存储器，其替代地将数据作为电子自旋而不是作为电荷存储在磁性存储元件内。图2说明现有技术中存在的自旋转移力矩(STT)MRAM电路单元200的至少一部分的示意图。MRAM单元200包含自由层202、参考层(也称为“钉扎参考层”)204、隧道结层206及反铁磁(AFM)钉扎层208。自由层202是其磁极性不固定但替代地响应于外部磁场(图中未展示)自由地改变方向的铁磁层。参考层204包含具有相反磁极性的第一铁磁层205及第二铁磁层207。与自由层202相比，参考层204具有固定的磁极性，使得在存在前述外部磁场的情况下第一铁磁层205及第二铁磁层207的磁极性不改变方向。AFM钉扎层208是控制参考层206的磁极性的反铁磁层。
[0007]隧道结层206位于自由层202与参考层的第一铁磁层204之间。隧道结层206由例如氧化镁(MgO)等的非常薄的绝缘材料制成。隧道结层206太薄，使得尽管层206是绝缘体，电子实际上也可流过(例如，遂穿过)层206。在大部分现有技术MRAM应用中，自由层202相对于第一铁磁层205的磁极性方向(例如，彼此平行或彼此反平行)表示两个不同逻辑数据位状态(例如，数据位“1”或数据位“0”)中的一者。
[0008]施加到MRAM单元200的信号线电压VSL控制电流ISL流过MRAM单元200。举例来说，施加超过单元200的过渡电压VT的正电压Vsl致使电流Isl在图2中所展示的方向上流动并且还致使自由层202的磁极性改变方向(例如，从平行于第一铁磁层205的磁极性到反平行于第一铁磁层205的磁极性)。为了改变回自由层202的磁极性方向，施加超过VT的负信号线电压Vsl (例如，地面及图2中的VsiJ冬端逆向)以致使电流I sl在图2中所展示的相反方向上流动。
[0009]特别地，如果信号线电压Vsl致使隧道结层206的两个表面211、213之间的电压差超过阈值电压，那么隧道结层206击穿且导电针孔形成于薄绝缘层206内。致使隧道结层206击穿的信号线电压在本文中还可称为击穿电压Vbr。穿过隧道结层206的厚度的导电针孔(图中未展示)致使隧道结层206的电阻显著降低。通常，击穿的隧道结层206是永久的并且形成的针孔无法复原/清除。MRAM单元200的击穿电压Vbr应大于单元200的过渡电压Vt。
[0010]需要实施基于具有薄绝缘层的金属-绝缘体-金属(MM)装置(例如，MRAM电路单元)的PUF的方法及设备。具体来说，需要基于MM阵列内的多个MM(例如，MRAM单元阵列内的MRAM单元)之间的随机击穿电压VBR变化实施PUF。此类基于MIM及/或MRAM的PUF可提供用于唯一地识别例如集成电路等电子装置的安全装置，及/或提供用于密码安全算法的安全密码密钥。
【发明内容】
[0011]一个特征提供用于实施物理不可克隆功能(PUF)的方法。所述方法包括提供金属-绝缘体-金属(MIM)装置的阵列，其中所述MM装置各自经配置以表示第一电阻逻辑状态及第二电阻逻辑状态中的一者且至少多个所述MM装置初始地处于所述第一电阻逻辑状态，并且所述MM装置中的每一者具有大于第一电压￥工且小于第二电压％的随机击穿电压VBR，击穿电压Vbr表示致使所述MM装置的薄绝缘体层击穿且使所述MIM装置从所述第一电阻逻辑状态过渡到所述第二电阻逻辑状态的电压电平，所述第一电阻逻辑状态具有大于所述第二电阻逻辑状态的电阻;及将信号线电压Vsl施加到所述MIM装置中的每一者以致使所述多个Μ頂装置的至少一部分随机击穿且从所述第一电阻逻辑状态过渡到所述第二电阻逻辑状态，所述信号线电压Vsl大于所述第一电压h且小于所述第二电压V2。根据一个方面，所述方法进一步包括向Μ頂装置的阵列发送询问，所述询问读取所述阵列中的选定Μ頂装置的逻辑状态;及从ΜΙΜ装置的所述阵列中获得对询问的响应，所述响应包含所述阵列中的所述选定Μ頂装置的所述逻辑状态。根据另一方面，Μ頂装置的阵列是各自具有磁性隧道结的装置的阵列。
[0012]根据一个方面，Μ頂装置的阵列是磁阻式随机存取存储器(MRAM)电路单元的阵列。根据另一方面，询问包含MRAM装置地址信息且响应包含对应于MRAM装置地址信息的MRAM装置的数据位信息。根据又另一方面，MRAM电路单元缺少反铁磁(AFM)钉扎层。
[0013]根据一个方面，MRAM电路单元具有包含单个铁磁层的参考层。根据另一方面，信号线电压Vsl约等于电压电平V3，所述电压电平对应于致使阵列中的约一半MIM装置击穿且将逻辑状态从第一电阻逻辑状态改变到第二电阻逻辑状态的电压电平。根据又另一方面，在施加信号线电压Vsl之后，将阵列中的Μ頂装置的逻辑状态存储于安全存储器中。
[0014]根据一个方面，在施加信号线电压Vsl之后，阵列中的ΜΙΜ装置的逻辑状态充当唯一地识别电子装置的密码密钥。根据另一方面，在施加信号线电压Vsl之后，阵列中的MIM装置的逻辑状态由密码安全算法利用。
[0015]另一特征提供用于实施物理不可克隆功能(PUF)的设备。所述设备包括金属-绝缘体-金属(MIM)装置的阵列，其各自经配置以表示第一电阻逻辑状态及第二电阻逻辑状态中的一者且至少多个所述MM装置初始地处于所述第一电阻逻辑状态，所述MM装置中的每一者具有大于第一电压％且小于第二电压％的随机击穿电压VBR，所述击穿电压VBR表示致使所述MM装置的薄绝缘体层击穿且使所述MM装置从所述第一电阻逻辑状态过渡到所述第二电阻逻辑状态的电压电平，所述第一电阻逻辑状态具有大于所述第二电阻逻辑状态的电阻;及处理电路，其以通信方式耦合到所述Μ頂装置并且经配置以将信号线电压Vsl施加到所述Μ頂装置中的每一者，以致使所述多个MM装置的至少一部分随机击穿且从所述第一电阻逻辑状态过渡到所述第二电阻逻辑状态，所述信号线电压Vsl大于所述第一电压％且小于所述第二电压V2。根据一个方面，所述处理电路进一步经配置以向MM装置的阵列发送询问，所述询问读取所述阵列中的选定Μ頂装置的逻辑状态并且从MM装置的所述阵列中获得对所述询问的响应，所述响应包含所述阵列中的所述选定ΜΙΜ装置的所述逻辑状态。