CN108321292B - 磁性物理不可克隆函数器件及磁性物理不可克隆函数装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁性物理不可克隆函数器件及装置。器件包括：衬底、设于衬底上表面的重金属层、设于重金属层上表面的磁性物理不可克隆函数层，磁性物理不可克隆函数层包括：设于重金属层上表面的钉扎层、设于钉扎层上表面的隧穿层及设于隧穿层上表面的自由层；或者，磁性物理不可克隆函数层包括：设于重金属层上表面的自由层、设于自由层上表面的隧穿层及设于隧穿层上表面的钉扎层；自由层具体包括钴铁硼薄膜层及设于钴铁硼薄膜层上表面的氧化镁薄膜层。本发明利用钴铁硼薄膜与氧化镁薄膜交界面的各向异性特点制备的物理不可克隆函数器件及装置具有随机性和唯一性的特点，具备独特的不可克隆和防篡改属性。
Description
技术领域
本发明涉及信息安全硬件加密技术领域，特别是涉及一种磁性物理不可克隆函数器件及磁性物理不可克隆函数装置。
背景技术
为了硬件层面的知识产权(IP)保护，以及防止软件层面的信息泄露，诸如盗版和侵犯个人隐私及财产安全，人们发明了一种物理不可克隆函数(Physical UnclonableFunctions，PUF)来对这些信息进行保护。最早的物理不可克隆函数是Pappu等提出的一种光学物理不可克隆函数，通过激光照射玻璃的产生散斑，然后通过贾波哈希(Gaborhash)提取散斑的特性。光学物理不可克隆函数具有很好的随机性与唯一性，但是其物理构造复杂，激光方向灵敏度要求异常苛刻，这些不足极大地限制了它的实际应用。不久之后，Gassend等人提出硅物理不可克隆函数的概念，这种物理不可克隆函数结构利用集成电路中门电路或者连线的延迟来实现物理不可克隆函数结构。但是，硅基集成电路可以通过测量产品的引脚功耗、时钟响应以及电磁特征来窃取或者篡改其信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁性物理不可克隆函数器件及磁性物理不可克隆函数装置，具有良好的唯一性与随机性，具备防伪造防篡改的能力，能够解决传统的非电学物理不可克隆函数难以实际应用而电学物理不可克隆函数存在泄密风险的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种磁性物理不可克隆函数器件，所述器件包括：衬底、设于所述衬底上表面的重金属层、设于所述重金属层上表面的磁性物理不可克隆函数层，其中，
所述磁性物理不可克隆函数层具体包括：设于所述重金属层上表面的钉扎层、设于所述钉扎层上表面的隧穿层及设于所述隧穿层上表面的自由层；或者，所述磁性物理不可克隆函数层具体包括：设于所述重金属层上表面的自由层、设于所述自由层上表面的隧穿层及设于所述隧穿层上表面的钉扎层；
所述自由层具体包括钴铁硼薄膜层及设于所述钴铁硼薄膜层上表面的氧化镁薄膜层。
可选的，所述氧化镁薄膜层的厚度不均匀。
可选的，所述氧化镁薄膜层各单位面积的厚度随机分布。
可选的，所述衬底为硅衬底或者二氧化硅衬底。
可选的，所述钉扎层为钴铁硼薄膜。
可选的，所述隧穿层为氧化镁薄膜。
一种磁性物理不可克隆函数装置，所述装置包括若干所述的磁性物理不可克隆函数器件，其中，各所述磁性物理不可克隆函数器件呈阵列排布。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的磁性物理不可克隆函数器件及装置，自由层设置有钴铁硼薄膜层及设于钴铁硼薄膜层上表面的氧化镁薄膜层。利用钴铁硼薄膜与氧化镁薄膜交界面的各向异性的特点，通过改变不同位置的各向异性制备出基于磁各向异性的物理不可克隆函数器件。由于生成磁性物理不可克隆函数器件的过程具有随机性，因此，生成的器件具有随机性和唯一性的特点，具备独特的不可克隆和防篡改属性。进一步地，由于本发明利用的是生成器件过程的随机性，且器件结构简单，加工工艺属于常规工艺，便于推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的磁性物理不可克隆函数器件；
图2为本发明实施例2提供的磁性物理不可克隆函数器件；
图3为本发明实施例提供的制备PUF器件的薄膜结构示意图；
图4为本发明实施例提供的Hall Bar结构示意图；
图5为本发明实施例提供的磁性块结构示意图；
图6为本发明实施例提供的自由层结构示意图；
图7为本发明提供的基于PUF器件的单密码生成器；
图8为本发明提供的基于PUF器件的多密码生成器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种磁性物理不可克隆函数器件及磁性物理不可克隆函数装置，具有良好的唯一性与随机性，利用磁性器件的结构特性，在制备过程中器件的磁各向异性会发生随机变化，这种随机变化可以产生密钥，具备防伪造防篡改的能力，能够解决传统的非电学物理不可克隆函数难以实际应用而电学物理不可克隆函数存在泄密风险的问题，能够用于信息加密以及硬件加密领域。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
图1为本发明实施例提供的第一种磁性物理不可克隆函数器件。如图1所示，一种磁性物理不可克隆函数器件，所述器件包括：衬底1、设于所述衬底1上表面的重金属层2、设于所述重金属层2上表面的磁性物理不可克隆函数层，本实施例中，所述磁性物理不可克隆函数层具体包括：设于所述重金属层2上表面的钉扎层3、设于所述钉扎层3上表面的隧穿层4及设于所述隧穿层4上表面的自由层5；其中，
所述自由层5包括设于所述隧穿层4上表面的钴铁硼薄膜层51及设于所述钴铁硼薄膜层51上表面的氧化镁薄膜层52。
优选地，所述氧化镁薄膜层52的厚度不均匀，且所述氧化镁薄膜层52各单位面积的厚度随机分布。
本实施例中，所述衬底1为硅衬底或者二氧化硅衬底。所述钉扎层3为钴铁硼薄膜。所述隧穿层4为氧化镁薄膜。
实施例2：
图2为本发明实施例提供的第二种磁性物理不可克隆函数器件。如图2所示，一种磁性物理不可克隆函数器件，所述器件包括：衬底1、设于所述衬底1上表面的重金属层2、设于所述重金属层2上表面的磁性物理不可克隆函数层，本实施例中，所述磁性物理不可克隆函数层具体包括：设于所述重金属层2上表面的自由层5、设于所述自由层5上表面的隧穿层4及设于所述隧穿层4上表面的钉扎层3，本实施例提供的器件还包括设于扎钉层3上的重金属保护层6；其中，
所述自由层5包括设于所述重金属层2上表面的钴铁硼薄膜层51及设于所述钴铁硼薄膜层51上表面的氧化镁薄膜层52。
优选地，所述氧化镁薄膜层52的厚度不均匀，且所述氧化镁薄膜层52各单位面积的厚度随机分布。
本实施例中，所述衬底1为硅衬底或者二氧化硅衬底。所述钉扎层3为钴铁硼薄膜。所述隧穿层4为氧化镁薄膜。
本发明提供的基于磁性材料的物理不可克隆函数，由于形状各向异性，CoFeB薄膜一般呈现出面内各向异性，可以在CoFeB薄膜上引入界面各向异性或交换相互作用，当界面效应或交换相互作用引入的垂直方向的单轴各向异性能大于薄膜的退磁能时，CoFeB薄膜呈现出垂直磁各向异性，这种单轴各向异性可以来源于CoFeB-MgO界面各向异性或Co-Pt交换弹簧的交换相互作用，以及其他可以引入的垂直方向的单轴各向异性的手段。通过改变不同位置的各向异性，可以制备出基于磁各向异性的物理不可克隆函数。
本发明利用CoFeB-MgO界面各向异性制备磁性物理不可克隆函数。当在CoFeB薄膜上覆盖一层适当厚度的MgO时，CoFeB/MgO系统会呈现出垂直各向异性。CoFeB/MgO是垂直各向异性的，可以利用离子束刻蚀来对上层MgO进行减薄，在离子束刻蚀过程中，由于离子束的能量分布、角度分布的微小的随机不均匀性会使得在对MgO进行减薄时，其刻蚀速率不均匀，造成CoFeB/MgO系统的界面各向异性发生改变，并且是在器件中均匀随机分布。另外，还可以在生长MgO薄膜时通过生长的不均匀性，使MgO厚度分布也会有不均匀性从而获得不同的界面各向异性。
本发明提供的磁性物理不可克隆函数器件自由层的制备工艺及对PUF器件的测试流程如下：
(1)自由层的制备
图3为制备PUF器件的薄膜结构示意图。磁性PUF的基本单元结构是霍尔条(HallBar)，如图3所示，用于制备器件的薄膜由磁控溅射制备，包括衬底21、重金属层22、CoFeB-MgO系统23以及保护层24组成。其中，衬底21为Si衬底或者SiO2衬底，重金属层22可以选择金属钽(Ta)、铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)或者其他具有较大自旋霍尔角的材料，如Bi2Se3、Sb2Te3等，本实施例选用的重金属层22为金属钽(Ta)。CoFeB-MgO系统23为磁性层钴铁硼/氧化镁(CoFeB/MgO)，CoFeB-MgO系统23具体包括钴铁硼CoFeB薄膜层231和和氧化镁MgO薄膜层232，保护层24可以选择金属钽(Ta)、铂(Pt)、钛(Ti)、钨(W)或者其他具有较大自旋霍尔角的材料，如Bi2Se3、Sb2Te3等，本实施例选用的保护层24为金属钽(Ta)。
首先，对图3所示的薄膜层进行第一次光刻，再利用离子束刻蚀将薄膜制备成HallBar结构，获得的Hall Bar结构是一个四端结构如图4所示。第一次刻蚀只刻蚀到衬底即可，即将下层重金属层Ta刻蚀完即可，磁性块的形状可以是其他形状，如圆形，多边形或其他任意形状。这时所有的磁性单元都是垂直磁各向异性的
进行第二次光刻，并且利用离子束刻蚀在HallBar的交叉部分刻蚀出一个磁性块。如图5所示，磁性块从上到下依次包括保护层金属钽、氧化镁层、钴铁硼层。磁性块以外的部分刻蚀到重金属层，以避免周围部分对磁性块的影响。
进行第三次光刻，利用离子束刻蚀器件顶部的MgO，通过MgO厚度变化来产生随机分布的磁各向异性获得器件的自由层结构。图6是第三次刻蚀之后的自由层结构，这时，上层的保护层金属钽(Ta)被刻蚀完了，由于刻蚀的不均匀性，MgO薄膜层各单位面积的厚度不同，不同自由层的磁各向异性也不同。有的呈面内各向异性，有的呈垂直各向异性。
(2)PUF器件测试
通过前述多步刻蚀步骤，可以获得自由层的磁矩随机分布的PUF单元，导致器件的磁性隧道节(MTJ)的电阻也会随机分布。
磁性隧道节的基本工作原理，在磁矩平行情况下的输运过程为：自由层(Freelayer)中多数自旋子带中的电子将越过势垒进入钉扎层(Fixed Layer)中的多数自旋子带，而少数自旋子带中的电子将会进入钉扎层(Fixed Layer)中的少数子带，MTJ呈高阻态。在磁矩反平行情况下的输运过程为：自由层(Free layer)中多数自旋子带中的电子将越过势垒进入钉扎层(Fixed Layer)中的少数自旋子带，而少数自旋子带中的电子将会进入钉扎层(Fixed Layer)中的多数自旋子带，MTJ呈低阻态。可通过提取在磁性物理不可克隆函数器件中随机均匀分布的不同的高低电阻态来表示其输出。
本实施例利用反常霍尔效应测量磁性物理不可克隆函数器件的霍尔电阻，可以通过测量器件在零磁场下，垂直的两个方向饱和磁化后的剩磁来判定一个PUF器件的状态。本实施例选用片内汉明距离和片间汉明距离来衡量器件的性能。
所谓片内汉明距离指的是同一个PUF器件对同一激重复两次输入的励响应的差异。片间汉明距离指的是对两个不同PUF实体输入相同的激励后的响应的差异。
由于PUF的唯一性会导致两个不同的PUF实体产生不同的响应，通常情况下，一个PUF响应的精确值不可避免的受到噪声、测量精度的不确定性和许多外部因素的影响。一个良好的PUF器件的片间汉明距离接近于0.5，片内汉明距离接近于0，这样可以保证磁性物理不可克隆函数器件的唯一性与随机性，因此，实际应用过程中可通过调节刻蚀过程中的参数来优化PUF器件的性能。
基于磁各向异性的物理不可克隆函数应用范围很广泛，如同人的指纹和虹膜一样，PUF器件一旦生成，就具有唯一性，并且生成的过程具有随机性。基于器件的随机性和唯一性，物理不可克隆函数的应用一般包括IP保护、系统认证和密钥生成等。在这些应用环境中，物理不可克隆函数主要有认证、随机预言机和密钥生成器。
认证，当物理不可克隆函数器件制备完成后，它就具有了一个独特的不可克隆、防篡改的属性，使用物理不可克隆函数认证，是一种非常安全有效的防伪技术，它的基本原理是这样的：将物理不可克隆函数器件嵌入到物理系统中，然后将不可克隆函数的一些挑战响应对CRP存入到数据库中，然后提供给当前系统来激励物理不可克隆函数，如果观察到物理不可克隆函数的响应足够接近于数库中的响应，那么认证成功，否则认证失败。在本发明中，我们可以将PUF单元的电阻特征提取出来形成CRP，在认证过程中，提供不同方式来输出物理不可克隆函数器件的电阻来进行认证。
随机预言机，随机预言机是指一个确定性的公共可访问的随机均匀分布函数，对于任意长度的输入，在输出中均匀的选择一个确定长度的值作为询问的应答。
密钥生成器，基于物理不可克隆函数的密钥生成在安全领域具有很广泛的应用前景，我们可以提取物理不可克隆函数的信息，即本发明中MTJ的阻值，通过后续处理，如AD转换，磁性物理不可克隆函数可以转换为一个加强密钥，使得加密技术更加安全。
图7为本发明提供的基于PUF器件的单密码生成器。如图7所示，将本发明实施例1或实施例2提供的8个磁性物理不可克隆函数器件集成到一起，各个器件呈阵列排布。如果一个单元产生8位密码，则一个器件可以产生64位密码。
图8为本发明提供的基于PUF器件的多密码生成器。图8中一个小矩形代表一个PUF器件，在实际应用中，可将多个PUF器件集成到一个片子上，通过控制选择端选择不同的器件，可以得到不同的密码组合。
由于物理不可克隆函数的随机性和唯一性，使用磁性物理不可克隆函数有两个方面的优势：
(1)由于应用磁性材料的特性制成的物理不可克隆函数器件，其结构并非同通过延时实现的硅物理不可克隆函数一样是线性的，非线性的物理不可克隆函数很难通过仿真来破解篡改。因此，磁性物理不可克隆函数提供了一种更安全可靠的密钥产生与存储方式。
(2)磁性物理不可克隆函数是非易失的，将一块磁性物理不可克隆函数嵌入到另外一个物理系统中去，使得整个系统具备了防篡改和克隆的属性。
(3)由于磁性物理不可克隆函数器件不存在电磁辐射，而且在理论上具有无限次使用的可能，使用寿命长，特别适用于航空航天领域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种磁性物理不可克隆函数器件，其特征在于，所述器件包括：衬底、设于所述衬底上表面的重金属层、设于所述重金属层上表面的磁性物理不可克隆函数层，其中，
所述磁性物理不可克隆函数层具体包括：设于所述重金属层上表面的钉扎层、设于所述钉扎层上表面的隧穿层及设于所述隧穿层上表面的自由层；或者，所述磁性物理不可克隆函数层具体包括：设于所述重金属层上表面的自由层、设于所述自由层上表面的隧穿层及设于所述隧穿层上表面的钉扎层；
所述自由层具体包括钴铁硼薄膜层及设于所述钴铁硼薄膜层上表面的氧化镁薄膜层；利用离子束刻蚀来对上层MgO进行减薄。
2.根据权利要求1所述的磁性物理不可克隆函数器件，其特征在于，所述氧化镁薄膜层的厚度不均匀。
3.根据权利要求2所述的磁性物理不可克隆函数器件，其特征在于，所述氧化镁薄膜层各单位面积的厚度随机分布。
4.根据权利要求1所述的磁性物理不可克隆函数器件，其特征在于，所述衬底为硅衬底或者二氧化硅衬底。
5.根据权利要求1所述的磁性物理不可克隆函数器件，其特征在于，所述钉扎层为钴铁硼薄膜。
6.根据权利要求1所述的磁性物理不可克隆函数器件，其特征在于，所述隧穿层为氧化镁薄膜。
7.一种磁性物理不可克隆函数装置，其特征在于，所述装置包括若干权利要求1-6任一项所述的磁性物理不可克隆函数器件，其中，各所述磁性物理不可克隆函数器件呈阵列排布。
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Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| "Extracting Physically Unclonable Function From Spin Transfer Switching Characteristics in Magnetic Tunnel Junctions";Takao Marukame 等;《 IEEE Transactions on Magnetics》;第50卷(第11期);3402004 * |
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