器件认证中可靠的物理不可克隆功能的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及器件的认证，尤其是对于集成电路的物理不可克隆功能。
【背景技术】
[0002]基于“信任根”的硬件是任何安全计算系统的基本构建块。安全计算的关键要素需要身份认证，发送数据到授权的源，和/或加载数据到指定的器件。一般来说，二进制代码的加密密钥形成保护数据和比特流安全的基础。典型情况下，这种加密密钥存储在非易失性存储器上，随时在集成电路(IC)上展示。如果攻击者能从器件上提取该密钥，整个安全计算的基础就都处在危险中。例如，对该器件具有物理访问的攻击者可以将芯片延时，并基于寄存器的状态读取存储的代码。因此，保护密钥安全需要反篡改技术，该技术可能是比较昂贵的，因此可能不适用于各种器件实现，如现场可编程门阵列(FPGA)，移动装置，和传感器。
【发明内容】
[0003]本公开的多个实施例公开了具有物理不可克隆功能的安全器件及其制造方法。例如，在一个实施例中，公开了具有物理不可克隆功能的安全器件，包括衬底和在该衬底上的至少一个高k/金属栅器件，以及测量电路，被配置为为了认证所述安全器件，测量所述至少一个高k/金属栅器件的至少一个属性。该至少一个高k/金属栅器件代表所述物理不可克隆功能。类似地，在另一个实施例中，公开了具有物理不可克隆功能的安全器件，包括:衬底和在该衬底上形成的至少一个高k/金属栅器件，该高k/金属栅器件代表所述物理不可克隆功能，其中所述至少一个高k/金属栅器件经过了至少一次可变性增强。
[0004]在进一步的实施例中，公开了制造具有物理不可克隆功能的安全器件的方法，包括提供衬底；以及在该衬底上形成至少一个高k/金属栅器件，该至少一个高k/金属栅器件代表所述物理不可克隆功能。形成高k/金属栅器件包括将至少一种可变性增强应用到所述至少一个高k/金属栅器件。在另外一个实施例中，公开了制造具有物理不可克隆功能的安全器件的方法，包括:提供包括至少一个高k/金属栅器件的集成电路；以及在所述集成电路上包括测量电路，该测量电路被配置为测量用于认证所述安全器件的所述至少一个高k/金属栅器件的至少一个属性。所述至少一个高k/金属栅器件代表所述物理不可克隆功會K。
【附图说明】
[0005]通过结合附图考虑下列详细的描述，很容易理解本公开的教导，其中:
[0006]图1示出了根据本公开的实施例的一个示意性的器件；
[0007]图2示出了根据本公开的实施例的一个示例性测量电路的操作；
[0008]图3示出了根据本公开的实施例的制造示例性器件的方法流程图；以及
[0009]图4示出了从物理不可克隆功能值确定二进制密钥的示意性图。
[0010]为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号代表附图中共有的相同元素。
【具体实施方式】
[0011]静态随机存取存储器(SRAM)是现场可编程门阵列(FPGA)的一个关键器件构建块(Block)。本公开的实施例提出了使用用于制造和加工用在这种性质的器件中的高k/金属栅栈(stack)的新方法的改进的物理不可克隆功能(PUF)。特别是，几种基于材料的现象被有目的地用于影响在栅极栈内部的可变性。
[0012]在高k/金属栅的先形成栅极(gate first)工艺制造中，高k/金属栅的阈值电压对本地加热环境很敏感。例如，La203和IIA族氧化物，诸如稀土金属氧化物(注意，IIA族现在有时被称为族2，碱土金属，和/或铍族)，和IIIB族元素(现在有时被称为族13，稀土金属氧化物，或硼族)可以被用于精确地设计栅极的阈值电压。然而，这样的高k/金属栅的阈值电压(例如，一个N或P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))对于在940和1025摄氏度之间的温度变化可以表现出达到200毫伏或以上的阈值电压(Vt)改变。
[0013]使用先形成栅极(gate first)工艺制造的的高k/金属栅器件对本地氧环境非常敏感，甚至每百万(ppm)级别的氧含量都有很多有害的影响。氧含量的两种常见的影响是在小的和大的器件的界面层的再生长，导致Tinv(反转层的厚度)增加以及由栅极通道的控制损耗。在某些情况下，这是由于来自外源性氧在温度高于约500摄氏度使得硅衬底氧化造成的，该外源性氧可能被与界面层直接接触的基于铪的高K导电层传输到晶体管的活动区。在大约在400-500摄氏度或更高温度，一旦暴露于达到ppm水平的氧气，Tinv的增加随即会增加小长度和小宽度器件的晶体管的Vt。
[0014]使用后形成栅极(gate last)工艺制造的的高k/金属栅器件对高于400°C的温度是非常敏感的，特别是，在一些实施例中，这种器件具有铝或铝合金的金属栅，这些材料对温度的变化非常敏感。例如，从400到450摄氏度的变化可能导致栅极漏电流显著下降(例如，两个数量级或更高)，从而影响总的器件漏电流，因而影响Vt。
[0015]在不同的环境条件的本地加热和制造，根据上述描述的影响，以及这里描述的几个其他的技术，如图案化工艺，被用于设计具有增加的可变性以及对篡改具有敏感性的PUF0
[0016]此外，高k/金属栅器件对大气干扰(例如，从层级暴露)和辐射(例如，激光加热，电子束，X射线，等)是非常敏感的。因此，本公开的实施例采用高k金属栅栈作为PUF器件提供基于材料的机制来用于篡改响应。例如，利用透射电镜(TEM)的故障分析得到的实证数据表明，高k/金属栅栈对光束是非常敏感的，为了避免会改变分析结果的光速破坏，
需要非常小心。
[0017]根据上述描述，本公开的实施例公开了具有独特的物理特性或者物理不可克隆功能(PUF)的安全器件，用于认证和密钥生成，并且具有几个优点。例如，一个示例性的器件可以包括具有一个或多个用于作为物理不可克隆功能的高k/金属栅的阵列的衬底，芯片裸片(die)，或集成电路。应当指出的是，在此上下文中，术语“高k”指的是一种介电常数大于用于标准栅极/晶体管的二氧化硅(Si02)的介电常数。在一些实施例中，在高k金属栅的一个或多个组件的属性的可变性被有目的地增加从而为物理不可克隆功能创建已定义的签名。例如，一个实施例中通过在集成电路生产过程中进行激光退火可能增加高k/金属栅的可变性。在一个实施例中通过在生产过程和/或一个或者多个图案化过程暴露一个或者多个该高k/金属栅的部件到一个或者多个不同的周围条件可能增加其可变性。在某些实施例中，在集成电路上包括一个测量电路用于测量该至少一个高K/金属栅的至少一个特性。测量的特性(或者多个特性)然后可以用作用于认证该器件的签名。换句话说，高k/金属栅的阵列包括为该器件的物理不可克隆功能。
[0018]PUF背后的一个原理是当芯片掉电，加密密钥不以二进制形式存储而是以独特的物理模拟标识符形式隐藏在硬件中，从而使代码只能在一个指定的授权的不打折扣的IC(uncompromised IC)上执行。因此，当电路上电时，芯片的面积可以被测量，模拟值转换成二进制码。然而，如果芯片掉电，二进制码不存储在任何存储器中，而是隐含在芯片的属性中。由于一般意图是高性能和可复制性，现有的使用物理不可克隆功能来认证和产生密钥的方法集中在生产期间进行了优化的器件的结构来减少可变性。然而，如果用于提供物理不可克隆功能的器件的阵列有一个狭窄的可变性范围，该范围接近一个用来从物理不可克隆功能计算二进制码的测量器件的阈值，任何随时间和温度的微小变化会导致比特错误。例如，为了将签名转化成二进制表示，对表示物理不可克隆功能的模拟值应用阈值。此夕卜，电路可以确定是否将签名的不同值分成O或者I。使用这种方法，可以从签名中推导出来例如二进制码形式的密钥，该密钥包括一个对该器件独特的可被用于认证该器件的标识符。然而，当特定的模拟值接近阈值的时候，这种方法可能存在特定的问题。如果模拟值改变，甚至轻微的改变，签名就能改变。例如，模拟值应该被解读为1，却可能被解读为O。可能可以使用位错误校正解决这种问题。然而，这可能会降低代码的安全性，因为在代码中冗余和容错越多，作为一个安全机制的代码的可靠性越差。
[0019]与前述相比，本公开的各种实施例有目的地增加用于作为物理不可克隆功能的器件的部分的可变性。例如，新的栅极材料可用于创建有几个优点的物理不可克隆功能。在不同的实施例中，高k/金属栅被用于作为创建物理不可克隆功能的基础。
[0020]在一些实施例中，通过执行激光退火产生可变性，该激光退火影响该高k/金属栅栈的一个或多个层。例如，激光退火可以有目的地诱发高K电介质形成可变的、或随机的、再结晶模式，或可能诱发衬底的活动区域到氧气渗透(saturate with oxygen)。同样，在一些实施例中，该栅栈的物理性质的、或栅栈的一个或多个组件的可变性，在器件生产过程中可以通过其他几个图案化工艺，如光刻，反应离子刻蚀，或化学机械平坦化，或通过暴露于变化的环境条件，如通过暴露该高k/金属栅结构的一个或多个组件到变化水平的掺杂剂而增加。例如，光刻过程可以用来改变该晶体管栅极结构的物理尺寸范围。其他有意义的变化，如线边缘粗糙度可以用来增强晶体管结构的物理变化，从而导致的晶体管的电气特性的可变性的增加。此外，这种可变性可以通过随后的所有图案化步骤(例如，反应离子刻蚀和进一步的下列步骤)进一步增强。类似地，对源极/漏极的掺杂水平可以是变化的。在一些实施例中，用于PUF的高k/金属栅的芯片裸片/衬底上的位置也可以是变化的。这与典型制造工艺形成对比，典型制造工艺旨在在栅极结构中尽可能提供统一的条件以减少可变性，保证一致的，可靠的和可预见的栅极的性能。
[0021]与现有技术中的物理不可克隆功能方法相比，