KR20240154810A - 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이의 판독 방법 - Google Patents
스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이의 판독 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이의 판독 방법을 개시한다. 본 발명은 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-torque active layer); 및 상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 적어도 둘 이상의 자성 패턴;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 비자성층과 자성층으로 구성된 이종접합(heterostructure)에서 비자성층의 면방향에 전류를 주입하여 자성층의 자화방향을 제어하는 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)에 기인한 공정 가변성 (manufacturing induced variations)을 이용하여 물리적 복제 불가능 함수(physically unclonable function, PUF)를 부여하고, 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 물리적 복제 불가능 함수 소자를 판독할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 판독 방법에 관한 것이다.
물리적 복제 불가능 함수(physically unclonable function, PUF)은 전자장치를 고유하게 식별하는 데 사용되는 보안 기능이다. 이는 각 장치가 식별을 위한 지문으로 사용할 수 있는 고유한 물리적 특성에 기반한다. 이러한 특성에는 장치의 물리적 레이아웃, 구성 요소의 전기적 특성 및 복제하기 어렵거나 불가능한 기타 요소가 포함될 수 있다.
따라서, 다양한 장치에 적용된 동일한 입력은 서로 다른 고유하고 예측할 수 없는 출력을 생성할 수 있다. 이러한 출력은 재현 가능해야 하고, 동일한 장치에 적용된 동일한 입력은 매번 동일한 출력을 생성해야 한다.
입력 및 출력을 각각 챌린지(challenge) 및 응답(response)이라고 하는데, 제어할 수 없는 복잡한 시스템에서 생성된 특정 챌린지 및 해당 응답을 장치 인증에 사용할 수 있는 챌린지-응답 쌍(challenge-response pair, CRP)라고 한다.
스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT) 스위칭 기반 자기저항메모리(MRAM)의 핵심 소자인 자기터널접합(magnetic tunnel junction, MTJ)은 비자성 스핀토크 활성층(이하, 스핀토크 활성층)/제 1 자성층(이하 자유층)/터널 배리어층/제 2 자성층(고정층)으로 구성되어 있으며, 자유층과 고정층의 상대적인 자화 방향에 따라 절연층을 통과하는 터널링 전류의 전기저항값이 달라지는 터널자기저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 현상을 이용하여 정보를 저장한다.
최근에는 스핀토크 활성층의 면내 평행한 방향으로 전류가 흐를 때 발생하는 스핀 전류(spin current)로 인접한 자유층의 스위칭을 유도하는 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기술이 고속, 저전력화가 가능한 기술로 관심을 받고 있다.
또한, 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)는 빛이 자성 물질에서 반사될 때 빛의 편광 상태 변화를 설명하는 광학적인 측정 방법으로, 소재의 자화 상태를 빠르게 감지할 수 있다는 장점이 있어 자성 분야 연구에서 용이하게 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)를 이용하여 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 제조함으로써 동일한 공정 과정을 거쳤음에도 불구하고 제어 불가능한 공정 가변성으로 인하여 각각의 소자가 고유한 암호 키를 생성할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 판독 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 자기광커 효과를 이용하여 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 판독할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 판독 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin- torque active layer); 및 상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 적어도 둘 이상의 자성 패턴(magnetic pattern);을 포함한다.
상기 자성 패턴의 개수는 4개 내지 24개를 포함할 수 있다.
상기 자성 패턴 간의 간격은 20 μm 내지 50 μm 일 수 있다.
상기 자성 패턴의 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나일 수 있다.
상기 자성 패턴의 직경은 20 μm 일 수 있다.
상기 자성 패턴은 자유층, 터널 배리어층 및 캐핑층을 포함할 수 있다.
상기 자유층은 수직 자기 이방성을 가질 수 있다.
상기 스핀궤도 활성층은 텅스텐(W), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 이리듐-망간(IrMn), 철-망간(FeMn), 백금-망간(PtMn) 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계; 상기 스핀토크 활성층 상에 자성 박막을 형성하는 단계; 상기 자성 박막을 열처리하는 단계; 및 상기 열처리된 자기 자성 박막을 패터닝하여 적어도 둘 이상의 자성 패턴을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 자성 박막을 열처리하는 단계는 상기 자성 박막이 열처리되는 동안 상기 자성 박막에 대하여 수직 방향으로 외부 자기장을 인가할 수 있다.
상기 자성 박막을 열처리하는 단계는, 열처리 온도가 300 ℃ 내지 450 ℃ 일 수 있다.
상기 외부 자기장은 6 kOe 일 수 있다.
상기 스핀토크 활성층 상에 자성 박막을 형성하는 단계는, 상기 스핀토크 활성층 상에 자유층 박막을 형성하는 단계; 상기 자유층 박막 상에 터널 배리어 박막을 형성하는 단계; 및 상기 터널 배리어 박막 상에 캐핑 박막을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 이용하여 제조되는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 준비하는 단계; 상기 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 외부 자기장 및 전류를 인가하는 단계; 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 상기 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계; 및 상기 광학 이미지를 분석하는 단계;를 포함한다.
상기 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 상기 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계는, 상기 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 포함된 자유층의 자화 방향에 따라 상기 광학 이미지의 밝기가 변화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)를 이용하여 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 제조함으로써 동일한 공정 과정을 거쳤음에도 불구하고 제어 불가능한 공정 가변성으로 인하여 각각의 소자가 고유한 암호 키를 생성할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 판독 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 자기광커 효과를 이용하여 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 판독할 수 있는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 판독 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 도시한 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 판독하기 위한 MOKE 현미경을 도시한 개략도이다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 면외 히스테리시스 루프(Out-of-plane hysteresis loops)를 도시한 그래프이고, 도 5b는 유효 자기 이방성 상수(Ku,eff)를 도시한 그래프이다.
도 6은 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 24 비트의 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지(a), 전하결합소자(charge-coupled device) 이미지(b) 및 고유 암호 키 값(c)을 도시한 도면이다.
도 7a는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이고, 도 7b는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 독특성(uniqueness) 테스트 결과를 도시한 그래프이며, 도 7c는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 균일성(uniformity)을 도시한 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)의 CCD 이미지이고, 도 8b는 도 8a의 흰색 박스의 가로 위치의 평균 대조(contrast) 값들을 수치화하여 도시한 3D 등고선 맵(3D contour maps) 이다.
도 9a는 각 온도에서 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)의 50% 균일성(uniformity) 확보를 위해 필요한 평균 차지 전류 (Iw,avg)가 상온에서 50% 균일성 확보를 위해 필요한 평균 차지 전류 (Iw,avg) 대비 몇 % 인지 백분율로 나타낸 그래프이고, 도 9b은 도 9a에서 확보된 평균 차지 전류(charge current, Iw,avg)를 온도별로 인가하여 각 온도에 따른 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)를 300℃에서 1회, 2회 및 3회 열처리를 진행한 다음 상온까지 식힌 후 상온에서의 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 도시한 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 판독하기 위한 MOKE 현미경을 도시한 개략도이다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 면외 히스테리시스 루프(Out-of-plane hysteresis loops)를 도시한 그래프이고, 도 5b는 유효 자기 이방성 상수(Ku,eff)를 도시한 그래프이다.
도 6은 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 24 비트의 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지(a), 전하결합소자(charge-coupled device) 이미지(b) 및 고유 암호 키 값(c)을 도시한 도면이다.
도 7a는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이고, 도 7b는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 독특성(uniqueness) 테스트 결과를 도시한 그래프이며, 도 7c는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 균일성(uniformity)을 도시한 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)의 CCD 이미지이고, 도 8b는 도 8a의 흰색 박스의 가로 위치의 평균 대조(contrast) 값들을 수치화하여 도시한 3D 등고선 맵(3D contour maps) 이다.
도 9a는 각 온도에서 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)의 50% 균일성(uniformity) 확보를 위해 필요한 평균 차지 전류 (Iw,avg)가 상온에서 50% 균일성 확보를 위해 필요한 평균 차지 전류 (Iw,avg) 대비 몇 % 인지 백분율로 나타낸 그래프이고, 도 9b은 도 9a에서 확보된 평균 차지 전류(charge current, Iw,avg)를 온도별로 인가하여 각 온도에 따른 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)를 300℃에서 1회, 2회 및 3회 열처리를 진행한 다음 상온까지 식힌 후 상온에서의 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-torque active layer; 110) 및 스핀토크 활성층(110) 상에 형성되는 적어도 둘 이상의 자성 패턴(120)을 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 자기소자에 전류를 주입하여 자화방향을 제어하는 스핀 궤도 토크(spin-orbit torque, SOT)를 이용하여 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 제조할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 스핀토크 활성층(110)/자유층(121)/터널 배리어층(122)을 포함하는 물리적 복제 불가능 함수 소자로 암호 키를 제조할 수 있다.
보다 구체적으로, 외부 자기장을 가하면서 스핀토크 활성층 (110)에 전류를 인가하면, 공정 가변성으로 인한 특성 차이로 인하여 자화 스위칭이 되는 자유층 (121)이 상이하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 24-비트 소자의 경우, 24개의 자성 패턴(120)이 존재하고, 특정한 외부 자기장과 전류를 인가하였을 때 자화 스위칭 되는 소자는 예측 불가능하고, 스위칭 여부를 광학적인 측정 방식인 자기광커 효과로 판독할 수 있다.
또한, 스위칭 된 자성 패턴(120)의 위치 및 개수를 활용하여 24-비트 소자마다 서로 다른 고유한 암호 키를 생성할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(110)을 포함한다.
스핀토크 활성층(110)은 자유층(121)과 접촉하여 면내 전류를 제공하는 전극으로 사용될 수 있고, 면내 전류를 제공하여 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과를 유발할 수 있다.
스핀토크 활성층(110)은 스핀 분극 전류를 제공하고, 스핀토크 활성층(110)의 스핀홀 효과 또는 라쉬바 효과에 의하여 자유층에 스핀궤도 토크를 인가하여 자유층(121)의 자화 역전을 유도할 수 있다. 또한, 스핀토크 활성층(110)은 자유층(121)에 스핀토크 활성층(110)의 자화 방향으로 정렬된 스핀 축적을 제공하고, 스핀 축적은 결정론적인 스위칭(deterministic switching) 효과 또는 추가적인 토크를 제공하는 효과를 제공할 수 있다.
또한, 스핀토크 활성층(110)을 통해 면내에서 구동되는 전류 및 수반되는 스핀 궤도 상호 작용은 스핀 궤도 자기장(H)을 초래할 수 있다. 이 스핀 궤도 자기장(H)은 자화 상의 스핀궤도 토크(T)와 동등하다. 따라서 스핀궤도 토크(T)와 스핀 궤도 자기장(H)은 스핀 궤도 자기장(H)과 스핀궤도 토크(T)로 상호 교환적으로 지칭될 수 있다. 이는 스핀 궤도 상호 작용이 스핀궤도 토크(T) 및 스핀 궤도 자기장(H)의 근원이라는 사실을 반영한다. 스핀궤도 토크는 스핀토크 활성층(110)의 평면에서 구동되는 전류 및 스핀 궤도 상호 작용에 대해 발생할 수 있다.
스핀토크 활성층(110)은 강력한 스핀-궤도 상호작용을 가지고, 자유층(121)의 자기 모멘트 스위칭 시에 사용될 수 있는 전극일 수 있다.
또한, 스핀토크 활성층(110)은 자유층(121) 내의 스핀 궤도 자기장(H)을 스위칭(자유층(121)에서의 스핀 궤도 자기장(H)의 극성 방향 변경)하는 것을 용이하게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 스핀 전류를 사용하여 자유층(121)을 스위칭하기 위한 스핀궤도 토크(spin orbit torque, SOT)를 사용할 수 있다.
스핀궤도 활성층(110)은 큰 스핀 홀 효과를 나타내는 중금속, 중금속 합금 및 반강자성체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 예를 들어, 스핀궤도 활성층(110)은 백금(Pt), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 이리듐-망간(IrMn), 철-망간(FeMn), 백금-망간(PtMn) 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 스핀궤도 활성층(110)은 베타 텅스텐(-W)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 스핀토크 활성층(110)의 너비 및 두께 중 적어도 어느 하나에 따라 전류 밀도가 조절될 수 있다.
스핀토크 활성층(110)의 너비 및 두께 중 적어도 어느 하나가 작아지면, 전류 밀도가 증가될 수 있고, 스핀궤도 토크는 전류 밀도에 비례하기 때문에, 스핀궤도 토크 또한 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 스핀토크 활성층(110)의 너비 및 두께 중 적어도 어느 하나에 따라 스핀궤도 토크가 조절될 수 있다.
보다 구체적으로, 스핀토크 활성층(110)에 같은 전류 값을 인가하였다고 가정했을 때, 스핀토크 활성층(110)의 너비 및 두께 중 적어도 어느 하나가 변화되면, 그에 따라 전류 밀도가 변화될 수 있다.
전류 밀도가 변화된다는 것은, 차지 전류(charge current)로부터 생성된 스핀 전류(spin current)의 밀도가 변화될 수 있고, 이에 따라 각각의 자성 패턴(120)에 가해지는 스핀 전류(spin current)로부터 생성된 스핀궤도 토크(SOT)의 세기가 변화될 수 있다.
즉, 같은 전류를 가하여도, 스핀토크 활성층(110)의 너비 및 두께 중 적어도 어느 하나에 따라 전류 밀도가 조절되고, 그에 따라 변화된 스핀궤도 토크(SOT) 크기로 인하여 자성 패턴(120)의 자화 스위칭 여부가 변화될 수 있다.
따라서, 전류 밀도가 변하면 그에 따른 스핀 궤도 토크(SOT) 특성 변화로 인하여 특성이 변화될 수 있다.
예를 들어, 스핀궤도 활성층(110)의 크기는 120 Х 600 μm2 내지 141 Х 600 μm2 일 수 있다.
예를 들어, 스핀궤도 활성층(110)의 두께는 5 nm 일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 전류 방향에 의해 자화 반전 방향이 조절될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 스핀토크 활성층(110) 상에 형성되는 적어도 둘 이상의 자성 패턴(120)을 포함한다.
자성 패턴(120)의 개수, 즉, 비트수가 증가할수록 물리적 복제 불가능 함수 (PUF)로서의 주요 특성(신뢰성, 독특성 및 균일성 중 적어도 어느 하나)이 이상적인 값(ideal value)에 근접할 수 있으며, 예를 들어, 자성 패턴(120)의 개수는 4개 내지 24개를 포함할 수 있다.
자성 패턴(120) 간의 간격은 20 μm 내지 50 μm 일 수 있고, 예를 들어, 자성 패턴(120)이 아일랜드 구조를 갖는 경우, 자성 패턴(120)의 중심 간 거리는 45.4545 μm일 수 있고, 자성 패턴(120)의 외각(끝부분) 간의 간격은 25.4545μm 일 수 있다.
자성 패턴(120)의 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는, 자성 패턴(120)의 형상은 타원형일 수 있다. 예를 들어, 다각형은 삼각형, 사각형, 오각형 또는 육각형 등 일 수 있다.
또한, 자성 패턴(120)의 직경에 따라 인가되는 전류 및 외부 자기장 중 적어도 어느 하나에 대하여 발현되는 스핀 궤도 토크(SOT)의 세기가 조절될 수 있다,
예를 들어, 자성 패턴(120)의 직경은 20 μm 일 수 있다.
실시예에 따라, 자성 패턴(120)의 직경은 적어도 둘 이상의 자성 패턴(120) 간의 직경이 상이할 수 있다.
자성 패턴(120)은 자유층(121), 터널 배리어층(122) 및 캐핑층(123)을 포함할 수 있다.
자성 패턴(120)은 스핀궤도 활성층(110) 상에 형성될 수 있다.
자유층(121)은 자화가 한 방향으로 고정되지 않고 일 방향에서 이와 대향되는 타 방향으로 변화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 자유층(121)이 비대칭 교환상호 작용(Dzyaloshinskii Moriya Interaction, DMI)을 가질 수 있다. 따라서, 자유층은 0이 아닌 DMI 값을 가질 수 있다.
또한, 자유층(121)은 수직 자기 이방성(perpendicular magnetic anisotropy, PMA)을 가질 수 있다.
비대칭 교환상호 작용 중 표면 비대칭 교환상호 작용(Interfacial DMI, iDMI)은 반전 대칭성이 깨진 강자성체와 강한 스핀 궤도 결합을 가지는 중금속의 계면에 생성되며, 강자성체의 스핀 방향을 나란한 방향에서 뒤틀려는 특성을 가지고 있다.
표면 비대칭 교환상호 작용(iDMI)이 존재하는 강자성체(예; 자유층)의 스핀 정렬은 표면 비대칭 교환상호 작용(iDMI) 값의 크기에 따라 평행한 정렬 상태, 나선형 구조를 가지는 스파이럴 형태 또는 자기 소용돌이의 일종인 스커미온(skrymion) 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 표면 비대칭 교환상호 작용(iDMI) 값이 0이 아닌 특정한 값을 갖거나, 표면 비대칭 교환상호 작용(iDMI)의 크기에 따라 적합한 세기의 수직자기 이방성이 존재할 수 있다.
자유층(121)의 자화 방향을 감지하기 위해 자유층(121)을 포함하는 터널링 자기 저항(Tunneling Magneto-resistance, TMR)을 구성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 비대칭 교환상호 작용(Dzyaloshinskii Moriya Interaction, DMI) 및 수직자기 이방성을 갖는 자유층(121)을 사용함으로써, 스핀궤도 활성층(110)으로 인한 스핀 궤도 토크, 비대칭 교환상호 작용 및 수직자기 이방성의 상호작용에 의해 원하는 방향으로 자화를 반전시킬 수 있다.
예를 들어, 자유층(121)의 자화 방향이 음의 z축 방향인 경우, 양의 z축 방향으로 자화 반전시키기 위하여, 전류의 회전 방향은 시계 방향일 수 있다. 면내 전류로부터 기인하여 자유층(121)의 자기 모멘트에 가해지는 토크는 스핀궤도 토크라 명명될 수 있다.
자유층(121)은 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성 층이 그에 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다.
자유층(121)은 코발트(Co), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 자유층은 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C), 및 질소(N)와 같은 비자성 물질들 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 자유층(121)은 CoFeB, CoFeSi 및 CoFeSiB 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 자유층(121)은 준강자성 물질 또는 인위적 준강자성 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 자유층(121)은 인위적 반강자성층(Synthetic Antiferromagnet) 또는 인위적 준강자성층(Synthetic ferrimagnet)일 수 있다.
실시예에 따라, 자유층(121)은 L10결정 구조를 갖는 물질, 조밀육방격자(Hexagonal Close Packed lattice; HCP)를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
자유층(121)의 두께는 0.1 nm 내지 10 nm일 수 있다.
또한, 자유층(121)은 CoFeB, Co 등의 단층을 포함할 수 있고, [Co/Ni]이 반복 적층되는 다층을 포함할 수 있다.
터널 배리어층(122)은 자유층(121)의 결정성을 잡아주기 위해 사용될 수 있다.
터널 배리어층(122)은 마그네슘(Mg)의 산화물, 티타늄(Ti)의 산화물, 알루미늄(Al)의 산화물, 마그네슘-아연(MgZn)의 산화물, 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 하프늄(Hf)의 산화물, 알루미늄(Al)의 질화물, 티타늄(Ti)의 질화물, 및 바나듐(V)의 질화물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터널 배리어층(122)은 결정성 산화 마그네슘(MgO)을 포함할 수 있다.
터널 배리어층(122)의 두께는 1 nm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 터널 배리어층(122) 상에 형성되는 캐핑층(capping layer; 123)을 포함할 수 있다.
캐핑층(123)은 자성 패턴(120)의 산화를 방지할 수 있다.
캐핑층(123)은 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군으로부터 선택된 단일 금속 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 캐핑층은 탄탈륨(Ta)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자와 동일한 구성 요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계(S110), 스핀토크 활성층 상에 자성 박막을 형성하는 단계(S120), 상기 자성 박막을 열처리하는 단계(S130) 및 열처리된 자성 박막을 패터닝하여 적어도 둘 이상의 자성 패턴을 형성하는 단계(S140)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계(S110)를 진행한다.
기판은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 기판은 실리콘 기판일 수 있다.
실시예에 따라, 실리콘 기판의 표면에는 자연 산화층이 형성될 수 있으며, 자연 산화층은 CVD, PVD 또는 열 산화함으로써 형성될 수 있다.
스핀궤도 활성층은 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금, 코팅 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
이 후, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 스핀토크 활성층 상에 자성 박막을 형성하는 단계(S120)를 진행한다.
스핀토크 활성층 상에 자성 박막을 형성하는 단계(S120)는 스핀토크 활성층 상에 자유층 박막을 형성하는 단계(S121), 자유층 박막 상에 터널 배리어 박막을 형성하는 단계(S122) 및 터널 배리어 박막 상에 캐핑 박막을 형성하는 단계(S123)를 포함할 수 있다.
자성 박막은 자유층을 형성하기 위한 막(즉, 자유층 박막), 터널 배리어층을 형성하기 위한 막(즉, 터널 배리어 박막) 및 캐핑층을 형성하기 위한 막(즉, 캐핑 박막)을 포함할 수 있다.
자유층 박막, 터널 배리어 박막 및 캐핑 박막은 스퍼터링을 포함하는 물리적 기상 증착(PVD, physical vapor deposition), 분자 빔 에피택시(MBE, molecular beam epitaxy), 펄스 레이저 퇴적(PLD, pulsed laser deposition), 원자층 퇴적(ALD, atomic layer deposition), 전자 빔(e-beam) 에피택시, 화학적 기상 증착(CVD, chemical vapor deposition), 또는 저압 CVD(LPCVD, low pressure CVD), 초고진공 CVD(UHVCVD, ultrahigh vacuum CVD) 또는 감압 CVD(RPCVD, reduced pressure CVD)를 포함하는 파생 CVD 공정, 전기 도금, 코팅 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
이 후, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 자성 박막을 열처리하는 단계(S130)를 진행한다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 자성 박막을 열처리를 진행하여 자유층에 수직 자기 이방성을 발현시킬 수 있다.
열처리는 별도의 가열로(furnace)에서 일어날 수 있다.
자성 박막은 열처리 온도에 따라 수직자기 이방성이 발현될수도 있고 안될수도 있기 때문에, 자성 박막은 열처리 온도에 따라 수직자기 이방성 특성 (Ku,eff)이 조절될 수 있다.
예를 들어, 자성 박막을 열처리하는 단계(S130)는, 열처리 온도가 300 ℃ 내지 450 ℃ 일 수 있다.
자기 자성 박막을 열처리하는 단계(S130)는 열처리 시간에 따라 수직자기 이방성 특성이 조절될 수 있고, 예를 들어, 열처리 시간은 1시간일 수 있다.
자성 박막을 열처리하는 단계(S130)의 열처리 압력은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 자성 박막을 열처리하는 단계(S130)는 열처리 압력이 10-6 Torr 일 수 있다.
다만, 열처리 압력은 상압에 근접하는 저진공도는 제외되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 자성 박막을 열처리하는 단계(S130)에서 자성 박막이 열처리되는 동안 자성 박막에 대하여 수직 방향(D2)으로 외부 자기장을 인가할 수 있다.
외부 자기장은 특별히 제한되지 않으나, 외부 자기장은 6 kOe 일 수 있다.
또한, 열처리시 인가하는 외부 자기장은 자성층의 수직자기 이방성을 위해 진행되고, 실시예에 따라, 외부 자기장을 인가하지 않아도 수직자기 이방성을 확보할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 열처리된 자성 박막을 패터닝하여 적어도 둘 이상의 자성 패턴을 형성하는 단계(S140)를 진행한다.
열처리된 자성 박막을 패터닝하여 적어도 둘 이상의 자성 패턴을 형성하는 단계(S140)은 캐핑 박막 상에 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 포토레지스트 패턴을 마스크로 하여 열처리된 자성 박막을 선택적으로 식각, 즉, 패터닝함으로써 자성 패턴을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 자성 패턴을 동일한 제조 방법을 이용하여 제조했음에도 불구하고 제어 불가능한 공정 가변성으로 인하여 각각의 고유한 암호 키를 생성할 수 있다.
예를 들어, 제어 불가능한 공정 가변성은 자성 패턴을 동일한 크기를 갖도록 패터닝용 마스크를 제작하더라도, 실제 공정 후에는 자성 패턴 마다 상이한 지름, 높이 및 형태 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
또한, 스핀토크 활성층에도 제어 불가능한 공정 가변성이 유도될 수 있다. 예를 들어, 5 nm 두께의 스핀토크 활성층(예; W 층)을 증착하더라도, 스핀토크 활성층의 두께가 완벽히 5 nm 일수는 없고, 산화되는 정도도 전부 다르기 때문에, 이러한 제어 불가능한 공정 가변성이 PUF 구현에 기여할 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법은 열처리된 자성 박막을 패터닝하여 적어도 둘 이상의 자성 패턴을 형성하는 단계(S140)를 진행하여 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 제조한 다음, 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 외부 자기장과 스핀 전류에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 기준 광학 이미지를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
자기광커 효과는 빛이 자성 물질에서 반사될 때 빛의 편광 상태 변화를 설명하는 광학적인 측정 방법으로, 소재의 자화 상태를 빠르게 감지할 수 있다.
자기 광학 커 효과 측정은 연속 박막과 패턴 박막 모두를 특성화하는 데 사용될 수 있고, 예를 들어, 자기 광학 커 효과 측정은 자성 박막이 비트 셀로 패턴화되는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 특성화하는 데 사용될 수 있다.
자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 외부 자기장과 스핀 전류에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 기준 광학 이미지를 추출하는 단계(S150)를 진행하여 측정된 기준 광학 이미지는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 포함된 자유층의 자화 방향에 따라 자기광커 효과가 달라지고, 이를 CCD 카메라가 인식하는 효과가 달라 광학 이미지 상의 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 밝기가 변화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법에 명시된 외부 자기장(예; 제1 외부 자기장)과 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법에 명시된 외부 자기장(예; 제2 외부 자기장)은 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 이용하여 제조되는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 준비하는 단계(S210), 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 외부 자기장 및 전류를 인가하는 단계(S220), 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계(S230) 및 광학 이미지를 분석하는 단계(S240)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 자기광커 효과를 이용하여 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 판독할 수 있다.
보다 구체적으로, 기존 비휘발성 메모리 기반 PUF는 a X b 형태의 어레이(array)에서 각 교차점마다 위치하는 PUF 소자로 특성 평가하고, 이러한 구조의 전기적 특성 평가는 비휘발성 메모리 종류마다 다르겠지만, 기본적으로 트랜지스터(transistor) 등을 포함하여야 하기 때문에 큰 면적을 요구하는 문제가 있다.
또한, PUF 소자는 기본적으로 많은 소자들을 요구하기 때문에, 전기적 측정 방법을 이용할 경우, 각 소자마다 이의 저항을 측정할 수 있는 장비가 요구되기 때문에 비용 관점으로도 효율적이지 못하다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 자기광커 효과를 활용하기 때문에, CCD 카메라로 관측가능한 소자들을 한번에 평가할 수 있으므로 시간적 및 비용적 측면에서 훨씬 효율적이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 이용하여 제조되는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 준비하는 단계(S210)를 진행한다.
스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 준비하는 단계(S210)은 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 이용하여 진행되기 때문에 동일한 구성 요소에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이 후, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 외부 자기장 및 전류를 인가하는 단계(S220)를 진행한다.
만약, 외부 자기장 없이 전류를 인가하면, 자화 방향은 준안정 면내 방향(metastable in-plane orientation)으로 유지되고, 전류가 꺼지면 위쪽 또는 아래쪽을 향할 확률이 50%이기 때문에 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 신뢰도가 낮아질 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 외부 자기장이 있는 전류를 인가하면, 외부 자기장이 있는 충분한 스핀 전류가 자화를 반전시킬 수 있기 때문에 신뢰도가 향상될 수 있다.
예를 들어, 외부 자기장은 6 kOe 일 수 있다.
이 후, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계(S230)를 진행한다.
자기광커 효과는 빛이 자성 물질에서 반사될 때 빛의 편광 상태 변화를 설명하는 광학적인 측정 방법으로, 소재의 자화 상태를 빠르게 감지할 수 있다.
자기 광학 커 효과 측정은 연속 박막과 패턴 박막 모두를 특성화하는 데 사용될 수 있고, 예를 들어, 자기 광학 커 효과 측정은 자성 박막이 비트 셀로 패턴화되는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 특성화하는 데 사용될 수 있다.
자기광커 효과를 이용하여 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계(S230)를 진행하여 추출된 측정 광학 이미지는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 포함된 자유층의 자화 방향에 따라 자기광커 효과가 조절되고, 이를 CCD 카메라가 인식하는 효과가 달라져 광학 이미지에 포함된 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 밝기가 변화될 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 실시예에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법은 광학 이미지를 분석하는 단계(S240)를 진행한다.
스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 포함된 자유층의 자화 방향에 따라 자성 패턴의 밝기 차이가 나타나고, 상대적으로 밝은 자성 패턴은 SOT 스위칭된 부분이며, 어두운 자성 패턴은 SOT 스위칭되지 않은 부분으로, 이를 암호키로 변환하여 밝은 자성 패턴은 1일 수 있고, 어두운 자성 패턴을 0일 수 있다.
실시예에 따라, 광학 이미지를 분석하는 단계(S240)는 자기광커 효과를 이용하여 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계(S230)에서 수득된 측정 광학 이미지를 미리 측정된 기준 광학 이미지와 비교하여 동일 여부를 판단할 수 있다.
실시예 1
본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 제조하는 데 필요한 박막 증착은 스퍼터링(sputtering)을 사용하였다. 초기 진공(base pressure)은 각각 5x10-9 Torr 이하이고, 아르곤(Ar) 분위기에서 증착하였다. 각 층의 두께는 증착 시간과 스퍼터링 파워를 이용해서 조절하였다.
도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 도시한 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 판독하기 위한 MOKE 현미경을 도시한 개략도이다.
도 4a와 같이 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 구조는 Si/SiO2/W 5 nm/CoFeB 0.9 nm/MgO 1 nm/Ta 2 nm 이다.
여기에서 Si는 기판이고, SiO2 층은 기판 위에 형성한 자연 산화층으로 비정질이다. W 층은 스핀토크 활성층이고, CoFeB 층은 자유층이며, 스퍼터링 타겟의 조성은 Co40Fe40B20 (at%)이었다. MgO 층은 터널 배리어층이고, Ta 층은 캡핑층(capping layer)이다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 도 4b에 도시한 MOKE 현미경을 이용하여 판독되었다.
박막 증착 후에 300℃, 400℃ 또는 450℃의 온도로 1시간 동안 열처리를 진행하였고, 열처리 시 초기 진공은 10-6 Torr 대역이며, 열처리 중 6 kOe의 외부 자기장을 박막에 수직인 방향으로 가하였다.
300℃에서 열처리를 진행한 후, 암호 키 생성을 위해 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 4, 8 비트 소자는 120 x 600 μm2 크기의 직사각형 바(bar)를, 24 비트 소자는 140.9 x 600 μm2 크기의 직사각형 바(bar)를 제작하였으며, CoFeb/MgO/Ta 층은 직경 20 μm의 섬(island) 형태로 제작하였다.
도 5a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 면외 히스테리시스 루프(Out-of-plane hysteresis loops)를 도시한 그래프이고, 도 5b는 유효 자기 이방성 상수(Ku,eff)를 도시한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 300℃, 400℃ 및 450℃의 온도에서 열처리되어 수직자기 이방성이 발현되는 것을 알 수 있다.
도 6은 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 24 비트의 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지(a), 전하결합소자(charge-coupled device) 이미지(b) 및 고유 암호 키 값(c)을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 24 비트의 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 전하결합소자 이미지에서 자성 패턴(CoFeB/MgO/Ta 층)에 해당하는 섬의 밝기 대조를 분석하여 암호 키를 파악할 수 있다.
수직자기 이방성을 갖는 자성층은 위 혹은 아래 방향의 2가지 자화 상태가 가능하며, 이는 각각 어둡거나 밝은 밝기 대조에 해당한다. 따라서, 각각의 24 비트에 동일한 입력 값을 가하였을 때, 공정 가변성으로 인한 소자 특성 차이로 인하여 소자마다 고유한 24 비트 암호 키를 생성하는 것을 알 수 있다.
또한, 기존 도 6 (b)에서 소자마다 24개의 자성 패턴이 존재하는데, 자화 방향에 따라 밝기 차이가 나타나는 것을 알 수 있고, 상대적으로 밝은 자성 패턴은 SOT 스위칭이 된 것이고, 어두운 부분은 안된 부분으로, 이를 암호키로 변환하면 밝은 자성 패턴은 1, 어두운 자성 패턴은 0일 수 있다(도 6(c) 참조).
도 7a는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이고, 도 7b는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 독특성(uniqueness) 테스트 결과를 도시한 그래프이며, 도 7c는 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자들의 균일성(uniformity)을 도시한 그래프이다.
도 7a는 단일 오류 비트가 신뢰성에 미치는 영향을 도시한 것이고, 도 7a를 참조하면, 300 ℃에서 1시간 동안 열처리를 진행한 후 제조된 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자는 24-비트 기준 97.8±1.03% 의 최대 신뢰성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 7b 및 도 7c는 비트수에 따른 독특성 및 균일성을 도시한 것이고, 도 7b 및 도 7c를 참조하면, 비트 1과 0의 균일성은 50±4.37%으로 이상적인 값 50%에 근접하며, 독특성은 61.67%을 갖는 것을 알 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)의 CCD 이미지이고, 도 8b는 도 8a의 흰색 박스의 가로 위치의 평균 대조(contrast) 값들을 수치화하여 도시한 3D 등고선 맵(3D contour maps) 이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 어두운 곳에서 밝은 곳으로의 대비 전환은 SOT 전환을 나타내고, 밝고 어두운 자성 패턴을 통해 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)의 광학적 평가가 가능한 것을 알 수 있다.
도 9a는 각 온도에서 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)의 50% 균일성(uniformity) 확보를 위해 필요한 평균 차지 전류 (Iw,avg)가 상온에서 50% 균일성 확보를 위해 필요한 평균 차지 전류 (Iw,avg) 대비 몇 % 인지 백분율로 나타낸 그래프이고, 도 9b은 도 9a에서 확보된 평균 차지 전류(charge current, Iw,avg)를 온도별로 인가하여 각 온도에 따른 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)는 다양한 작동 온도에서 50%의 평균 균일성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 9b를 참조하면, 각 온도마다 reference secret key를 부여하는 것으로 보아, 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)는 작동 온도에 상관없이 reference secret key를 부여할 수 있고, 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)가 상온까지 다시 식기를 기다린 후에 신뢰성이 높은 재현성을 유지하는 것으로 보아, 완전히 가역적(fully reversible)인 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)를 300℃에서 1회, 2회 및 3회 열처리를 진행한 다음 상온까지 식힌 후 상온에서의 신뢰성(reliability) 테스트 결과를 도시한 그래프이다.
도 10에서 1회 열처리는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)를 제작하기 전에 300℃에서 외부자기장 6 kOe 인가(out-of plane 방향)하면서 1시간 열처리를 포함하고, 2회 열처리 및 3회 열처리는 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)를 제작한 후에 300℃에서 외부자기장 없이 30분 열처리를 포함한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자(24 비트)는 여러 번의 열처리를 진행한 후에도 신뢰성이 유지되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 스핀토크 활성층 121: 자유층
122: 터널 배리어층 123: 캐핑층
120: 자성 패턴
122: 터널 배리어층 123: 캐핑층
120: 자성 패턴
Claims (15)
- 기판 상에 형성되는 스핀토크 활성층(spin-torque active layer); 및
상기 스핀토크 활성층 상에 형성되는 적어도 둘 이상의 자성 패턴;
을 포함하는 스핀궤도 토크(spin-orbit torque, SOT) 기반 물리적 복제 불가능 함수(physically unclonable function, PUF) 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 자성 패턴의 개수는 4개 내지 24개를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 자성 패턴 간의 간격은 20 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 자성 패턴의 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나인 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 자성 패턴의 직경은 20 μm 인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 자성 패턴은 자유층, 터널 배리어층 및 캐핑층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 자유층은 수직 자기 이방성을 갖는 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 스핀궤도 활성층은 텅스텐(W), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 이리듐-망간(IrMn), 철-망간(FeMn), 백금-망간(PtMn) 및 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자.
- 기판 상에 스핀토크 활성층을 형성하는 단계;
상기 스핀토크 활성층 상에 자성 박막을 형성하는 단계;
상기 자성 박막을 열처리하는 단계; 및
상기 열처리된 자성 박막을 패터닝하여 적어도 둘 이상의 자성 패턴을 형성하는 단계;
를 포함하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 자성 박막을 열처리하는 단계는 상기 자성 박막이 열처리되는 동안 상기 자성 박막에 대하여 수직 방향으로 외부 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 자성 박막을 열처리하는 단계는, 열처리 온도가 300 ℃ 내지 450 ℃ 인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 외부 자기장은 6 kOe 인 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 스핀토크 활성층 상에 자성 박막을 형성하는 단계는,
상기 스핀토크 활성층 상에 자유층 박막을 형성하는 단계;
상기 자유층 박막 상에 터널 배리어 박막을 형성하는 단계; 및
상기 터널 배리어 박막 상에 캐핑 박막을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법.
- 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 제조 방법을 이용하여 제조되는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자를 준비하는 단계;
상기 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 외부 자기장 및 전류를 인가하는 단계;
자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 상기 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계; 및
상기 광학 이미지를 분석하는 단계;
를 포함하는 것을 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 자기광커 효과(magneto-optical Kerr effect, MOKE)를 이용하여 상기 외부 자기장에 반응한 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 광학 이미지를 추출하는 단계는,
상기 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자에 포함된 자유층의 자화 방향에 따라 상기 광학 이미지의 밝기가 변화되는 것을 특징으로 하는 스핀궤도 토크 기반 물리적 복제 불가능 함수 소자의 판독 방법.
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