基于磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器磁性隧道結(jié)的電阻率的物理不可克隆函數(shù)的制作方法
【專利說(shuō)明】基于磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器磁性隧道結(jié)的電阻率的物理不可 克隆函數(shù)
[00011 優(yōu)先權(quán)申請(qǐng)
[0002] 本專利申請(qǐng)案主張2013年9月9日申請(qǐng)的標(biāo)題為"基于磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器磁性 隧道結(jié)的電阻率的物理不可克隆函數(shù)（PHYSICALLY UNCLONABLE FUNCTION BASED 0N RESISTIVITY OF MAGNETORESISTIVE RANDOM-ACCESS MEMORY MAGNETIC TUNNEL JUNCTIONS)"的第61/875,652號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案和2013年11月5日申請(qǐng)的標(biāo)題為"基于 磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器磁性隧道結(jié)的電阻率的物理不可克隆函數(shù)（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號(hào)美國(guó)非臨時(shí)專利申請(qǐng)案的優(yōu)先 權(quán)，其完整揭示內(nèi)容特此以引用的方式明確并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 各種特征涉及物理不可克隆函數(shù)(PUF)，且特定來(lái)說(shuō)，涉及基于磁阻式隨機(jī)存取存 儲(chǔ)器(MRAM)磁性隧道結(jié)(MTJ)的電阻率的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(wèn)-響應(yīng)機(jī)構(gòu)。 當(dāng)向PUF施加物理刺激（即，詢問(wèn)）時(shí)，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(cè)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(cè)的物理因素。PUF的"不可克隆性"意指采用PUF的每個(gè)裝置具有 將詢問(wèn)映射到響應(yīng)的唯一的且不可預(yù)測(cè)的方式，即使一個(gè)裝置以與另一表面相同裝置相同 的過(guò)程制造。因此，幾乎不可能建構(gòu)具有與另一裝置的PUF相同的密碼-響應(yīng)行為的PUF，因 為對(duì)制造過(guò)程的精確控制是不可能的。
[0005] PUF對(duì)于每一芯片來(lái)說(shuō)是唯一的，是難以預(yù)測(cè)的，是易于評(píng)估的，且是可靠的。PUF 為單獨(dú)的，且?guī)缀醪豢赡苓M(jìn)行復(fù)制。另外，PUF可充當(dāng)信任根，且可提供無(wú)法容易地進(jìn)行反向 工程設(shè)計(jì)的密鑰。PUF可用以保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)(密鑰或存儲(chǔ)器)免受離線攻擊。
[0006] 磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)為非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中不同于常規(guī)RAM， 數(shù)據(jù)并不存儲(chǔ)為電荷，而是作為電子自旋存儲(chǔ)于磁性存儲(chǔ)元件內(nèi)。圖1說(shuō)明磁性存儲(chǔ)元件 100的簡(jiǎn)化示意圖，所述磁性存儲(chǔ)元件形成在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)(且在圖2中描繪)的MRAM電路 單元的部分。參看圖1，磁性存儲(chǔ)元件100包含由極薄絕緣層106分離的第一鐵磁層102和第 二鐵磁層104。磁性層102、104各自擁有具有特定極性方向的磁場(chǎng)。第二磁性層104可為永久 磁體，其具有固定的磁極性(如實(shí)心箭頭所示）。第一磁性層102的磁極性并不固定，且可由 外部磁場(chǎng)(未圖示)改變。舉例來(lái)說(shuō)，如虛線箭頭所指示，第一磁性層102的磁極性可與第二 磁性層104的磁極性平行或反向平行地定向。薄絕緣層106由分離兩個(gè)磁性層102、104的極 薄絕緣材料制成。薄絕緣層106也被稱作"隧穿層"，因?yàn)槠涮^(guò)薄以致于電子可流過(guò)（即，隧 穿)其在兩個(gè)磁性層102、104之間的厚度，即使隧穿層106是絕緣體。
[0007] 如果第一磁性層102的極性經(jīng)定向以使得其平行于第二磁性層104,那么層102、 104之間的電阻相對(duì)較低（即，低電阻狀態(tài)）。此狀態(tài)可被視為表示數(shù)據(jù)位"0"狀態(tài)。相比之 下，如果第一磁性層102的極性經(jīng)定向以使得其與第二磁性層104反向平行，那么層102、104 之間的電阻相對(duì)較高（即，高電阻狀態(tài)）。此狀態(tài)可被視為表示數(shù)據(jù)位"Γ狀態(tài)。
[0008] 圖2說(shuō)明MRAM存儲(chǔ)器單元電路200。耦合到磁性存儲(chǔ)元件100的晶體管202控制穿過(guò) 所述磁性存儲(chǔ)元件100的電流流動(dòng)。如果晶體管202被接通，那么電流流過(guò)磁性存儲(chǔ)元件 100。取決于磁性存儲(chǔ)元件100的電阻狀態(tài)（即，數(shù)據(jù)位狀態(tài)），電流將相對(duì)較高或相對(duì)較低。 因此，通過(guò)接通晶體管202及確認(rèn)電流流過(guò)讀線204，可從MRAM電路單元200讀取數(shù)據(jù)。相對(duì) 較高的電流意味著磁性存儲(chǔ)元件的電阻狀態(tài)較低，且因此存儲(chǔ)"〇"位。相對(duì)較低的電流意味 著磁性存儲(chǔ)元件的電阻狀態(tài)較高，且因此存儲(chǔ)"Γ位。
[0009] 參看圖1和2,通過(guò)改變第一磁性層102的極性，可將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到單元200。寫(xiě)線206 向磁性存儲(chǔ)元件100供應(yīng)電流，此舉使得第一磁性層102的極性改變方向，且因此所存儲(chǔ)的 數(shù)據(jù)位從"Γ改變?yōu)?0"，或從"0"改變?yōu)?Γ。
[0010] 圖3說(shuō)明磁性存儲(chǔ)元件100的示意圖的另一更詳細(xì)實(shí)例，所述磁性存儲(chǔ)元件可形成 自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT)MRAM電路單元200的部分。如圖所示，第一磁性層102可被稱為"自由 層"，且第二磁性層104形成"釘扎參考層"的一部分。自由層相對(duì)于釘扎參考層的第二磁性 層104的磁極性方向確定STT MRAM單元200的邏輯狀態(tài)(例如，兩個(gè)層102、104的平行定向?yàn)?"0"狀態(tài)，且反向平行定向?yàn)門(mén)狀態(tài)）。反鐵磁(AFM)層302控制釘扎參考層的磁極性定向。
[0011] 圖4和5展示STT MRAM單元200的自由層102的頂部示意圖。具體來(lái)說(shuō)，圖4展示根據(jù) 第一狀態(tài)（例如，狀態(tài)"〇"）的自由層1 〇2的磁極性(箭頭）的定向，且圖5展示根據(jù)第二狀態(tài) (例如，狀態(tài)"1"）的自由層102的磁極性(箭頭)的定向，所述定向與第一狀態(tài)的定向相反。自 由層102的磁極性將在沿著如圖所示的自由層102的長(zhǎng)軸的那兩個(gè)方向中的一者處定向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 一個(gè)方面提供使用基于MRAM的存儲(chǔ)器單元陣列來(lái)實(shí)施物理不可克隆函數(shù)(PUF)。 向包含多個(gè)磁性隧道結(jié)的磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)存儲(chǔ)器單元的陣列發(fā)布詢問(wèn)，其中 詢問(wèn)包含磁性隧道結(jié)中的至少一些的多個(gè)MRAM單元地址。接著通過(guò)確認(rèn)磁性隧道結(jié)的電阻 以產(chǎn)生陣列的至少部分映射，可獲得對(duì)詢問(wèn)的響應(yīng)。針對(duì)基于MRAM的PUF的多個(gè)存儲(chǔ)器單元 而產(chǎn)生的響應(yīng)可用以唯一地識(shí)別電子裝置，例如集成電路。另外，可對(duì)存儲(chǔ)器單元施加磁 場(chǎng)，以在發(fā)布詢問(wèn)之前在固定定向上布置所有磁性隧道結(jié)。舉例來(lái)說(shuō)，所有磁性隧道結(jié)可為 平行或反向平行的。
[0013] 此外，方法可包含以多個(gè)角度對(duì)陣列施加多個(gè)磁場(chǎng)，其中針對(duì)多個(gè)磁場(chǎng)獲得磁性 隧道結(jié)的響應(yīng)。此外，在一個(gè)示范性實(shí)施例中，MRAM存儲(chǔ)器單元可各自包含兩個(gè)磁性隧道 結(jié)。在此示范性實(shí)施例中，可通過(guò)確認(rèn)兩個(gè)磁性隧道結(jié)中的僅一者的電阻來(lái)獲得響應(yīng)?；?者，每一 MRAM存儲(chǔ)器單元可包含兩個(gè)磁性隧道結(jié)。在此狀況下，可通過(guò)確認(rèn)兩個(gè)磁性隧道結(jié) 兩者的電阻來(lái)獲得響應(yīng)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1說(shuō)明形成MRAM電路單元的部分的磁性存儲(chǔ)元件的簡(jiǎn)化示意圖。
[0015] 圖2說(shuō)明示范性MRAM存儲(chǔ)器單元電路。
[0016]圖3說(shuō)明磁性存儲(chǔ)元件的示意圖的另一更詳細(xì)實(shí)例。
[0017] 圖4展示根據(jù)第一狀態(tài)的圖3的自由層的磁極性(箭頭)的定向。
[0018] 圖5展示根據(jù)第二狀態(tài)的圖3的自由層的磁極性(箭頭)的定向。
[0019] 圖6在概念上說(shuō)明MRAM電路的物理不可克隆函數(shù)(PUF)實(shí)施方案。
[0020] 圖7在概念上說(shuō)明存儲(chǔ)器單元內(nèi)的磁性隧道結(jié)的不同層的磁定向。
[0021 ]圖8說(shuō)明MRAM存儲(chǔ)器單元的示范性陣列。
[0022] 圖9說(shuō)明MRAM單元的示意圖。
[0023]圖10說(shuō)明可如何確定兩個(gè)磁性隧道結(jié)的電阻的實(shí)例。
[0024]圖11在概念上說(shuō)明包含耦合到接口的一百個(gè)單元(C00到C99)的陣列的裝置。
[0025]圖12說(shuō)明操作性地耦合到MTJ_RB線和MTJ_R線的MRAM單元的另一實(shí)例的示意圖。 [0026]圖13說(shuō)明處于狀態(tài)"0"和狀態(tài)"Γ兩者的MRAM陣列的電阻分布的曲線圖。
[0027] 圖14說(shuō)明MRAM單元可如何經(jīng)受外部磁場(chǎng)的變化角度Θ。
[0028] 圖15說(shuō)明包含MRAM陣列的電子裝置的硬件實(shí)施方案的示范性示意框圖。
[0029] 圖16為說(shuō)明示范性詢問(wèn)裝置的框圖，所述示范性詢問(wèn)裝置經(jīng)調(diào)適以作為詢問(wèn)/響 應(yīng)PUF協(xié)議的部分詢問(wèn)電子裝置。
[0030] 圖17為說(shuō)明示范性電子裝置的框圖，所述示范性電子裝置經(jīng)調(diào)適以作為詢問(wèn)/響 應(yīng)PUF協(xié)議的部分獲得響應(yīng)。
[0031] 圖18說(shuō)明用于獲得對(duì)物理不可克隆函數(shù)(PUF)的詢問(wèn)的響應(yīng)的方法的流程圖。 [0032]圖19說(shuō)明用于獲得對(duì)物理不可克隆函數(shù)(PUF)的詢問(wèn)的響應(yīng)的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 在以下描述中，給出具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的各種方面的透徹理解。然而，所屬 領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在不具有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐所述方面。舉例來(lái)說(shuō)，可 用框圖展示電路以便避免以不必要的細(xì)節(jié)混淆所述方面。在其它情況下，可以不詳細(xì)展示 眾所周知的電路、結(jié)構(gòu)和技術(shù)以便不混淆本發(fā)明的方面。
[0034] 詞語(yǔ)"示范性"在本文中用以意味著"充當(dāng)實(shí)例、例子或說(shuō)明"。本文中描述為"示范 性"的任何實(shí)施方案或方面未必應(yīng)解釋為比本發(fā)明的其它方面優(yōu)選或有利。同樣，術(shù)語(yǔ)"方 面"不要求本發(fā)明的所有方面包含所論述的特征、優(yōu)點(diǎn)或操作模式。
[0035] 概述
[0036] 本文中描述了方法和設(shè)備，其實(shí)施基于磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)電路單元陣 列的物理不可克隆函數(shù)(PUF)。具體來(lái)說(shuō)，利用MRAM陣列的MRAM電路單元的個(gè)別磁性隧道結(jié) (MTJ)的唯一和隨機(jī)電阻作為用于實(shí)施和執(zhí)行PUF的基礎(chǔ)。由基于MRAM的PUF產(chǎn)生的響應(yīng)可 用以唯一地識(shí)別電子裝置(例如集成電路），所述電子裝置并有基于MRAM的PUF。或者，由PUF 產(chǎn)生的存儲(chǔ)器單元響應(yīng)可被用作用于密碼安全算法的安全加密密鑰。本文中描述了利用 MRAM電路來(lái)產(chǎn)生PUF的新穎裝置和方法。
[0037] 示范性基于MRAM的PUF和用于實(shí)施所述基于MRAM的PUF的方法
[0038]圖6在概念上說(shuō)明MRAM電路的物理不可克隆函數(shù)(PUF)實(shí)施方案。存儲(chǔ)器裝置600 可經(jīng)配置以在接收詢問(wèn)606后，即刻提供響應(yīng)602。在一個(gè)實(shí)例中，可在并有基于多個(gè)存儲(chǔ)器 單元或存儲(chǔ)器陣列的物理不可克隆函數(shù)的芯片或半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)器裝置600。
[0039] 詢問(wèn)606可為待查詢的或?qū)钠渲蝎@得響應(yīng)的存儲(chǔ)器單元或多個(gè)存儲(chǔ)器單元(例 如，存儲(chǔ)器單元陣列）的指示?？蛇M(jìn)行樣本測(cè)量604以確認(rèn)來(lái)自存儲(chǔ)器單元的一或多個(gè)響應(yīng)。 在一個(gè)實(shí)例中，可對(duì)多個(gè)存儲(chǔ)器單元(例如，在存儲(chǔ)器陣列內(nèi)或在芯片或多個(gè)芯片上的多個(gè) 位置處)進(jìn)行此些樣本測(cè)量604。這些存儲(chǔ)器單元(或其位置)可經(jīng)索引或映射608到對(duì)應(yīng)測(cè) 量或響應(yīng)，且可以不同方式(例如，百分比、絕對(duì)值、邏輯狀態(tài)等)進(jìn)行量化610。以此方式，可 從存儲(chǔ)器裝置60