本发明专利技术公开了一种易失型忆阻式PUF器件及其制备方法、装置和PUF加密芯片，使用水溶性惰性金属材料，在衬底上制备底电极，在底电极上沉积活性金属材料，得到底层活性金属层，使用水溶性介质材料，在底层活性金属层上制备阻变转换层，以与底电极呈十字交叉的方向，在阻变转换层上沉积活性金属材料，得到顶层活性金属层，使用水溶性惰性金属材料，在顶层活性金属层上制备顶电极，得到易失型忆阻式PUF器件。可以按照实际需求便捷地控制PUF器件的功能自销毁，对于PUF密钥的安全防护具有广泛适用性。另外，材料溶解后的水解产物具有良好的生物兼容性，绿色环保。绿色环保。绿色环保。
【技术实现步骤摘要】
易失型忆阻式PUF器件及其制备方法、装置和PUF加密芯片
[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及易失型忆阻式PUF器件及其制备方法、装置和PUF加密芯片。
技术介绍
[0002]物理防克隆函数(Physical Unclonable Function，简称PUF)利用了实际制造工艺引入的实体差异，本着固有的随机性、唯一性、隐匿性和不可克隆性，在密钥生成、设备认证以及价值信息防护等方面具有广泛的应用价值。在物理实体的内在构造差异影响下，PUF对于每一个输入激励所产生的响应都具有明显的随机性和不可预测性，对于相同的输入激励，不同PUF器件的响应输出将存在明显差异，因此，赋予了每一个芯片以特有的独立式“指纹”信息，这种无可替代的优越性使得PUF技术成为近年来的研究热点。
[0003]传统的硅基PUF器件的工艺参数往往存在固有偏差，导致PUF的输出响应随机性并不理想。作为新型存储器中的典型代表，忆阻器由顶电极、底电极以及阻变转换层所组成的三明治结构组成，其阻态转换有赖于阻变层中导电细丝的生长与断裂行为，该过程均具有明显的随机性，且随机性不随集成度提升而改变，具备鲜明的不可克隆性，对于PUF的构建具有天然优势。
[0004]Ligang Gao等人基于十字交叉型Pt/HfO
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/TiN阻变存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)阵列实现了PUF，以28个RRAM阵列为样本计算得到的片间汉明距离(HD
inter
)仅有46.2％，参见L.Gao,P.Chen,R.Liu and S.Yu.Physical Unclonable Function Exploiting Sneak Paths in Resistive Cross
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point Array.IEEE Transactions on Electron Devices,63,3109.2016这种方案充分地利用了RRAM的阻态分布随机性，但构建的PUF阵列唯一性尚需进一步提升；Shimeng Yu等人基于HfO2的十字交叉型1T1R(晶体管与RRAM串联)阵列构建了PUF功能，在1KB的器件规模下实现了片间汉明距离为49.8％的PUF器件，参见R.Liu,H.Wu,Y.Pang,H.Qian,S.Yu.Experimental Characterization of Physical Unclonable Function Based on 1kb Resistive Random Access Memory Arrays.IEEE Electron Device Letters,36,1380,2015这种方案在遏制体系泄露电流的同时发挥了RRAM的阻态随机性优势，但制备工艺较为复杂，需要将RRAM与晶体管进行串联集成；J.Joshua Yang等人基于易失型忆阻器Au/SiO2:Ag/Au阵列构建了PUF功能，该器件利用了外加电压作用下活性组分Ag在阻变转换层中的迁移行为，HD
inter
高达50.68％，具有较高的片间唯一性，参见R.Zhang,H.Jiang,Z.R.Wang,P.Lin,Y.Zhuo,D.Holcomb,D.H.Zhang,J.J.Yang,Q.Xia.Nanoscale diffusive memristor crossbars as physical unclonable functions.Nanoscale,10,2721,2018这种方案中忆阻器的挥发性特点简化了参比电流的精确提取过程。
[0005]但攻击与防御之间的竞赛从未停止，开发安全可靠的PUF器件仍然面临着一系列的关键技术挑战，如何赋予PUF加密芯片本身以特殊紧急情况下的应变能力仍需要得到进一步的考量。
技术实现思路
[0006]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种易失型忆阻式PUF器件及其制备方法、装置和PUF加密芯片。
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供一种易失型忆阻式PUF器件的制备方法，包括：
[0008]使用水溶性惰性金属材料，在衬底上制备底电极；
[0009]在所述底电极上沉积活性金属材料，得到底层活性金属层；
[0010]使用水溶性介质材料，在所述底层活性金属层上制备阻变转换层；
[0011]以与所述底电极呈十字交叉的方向，在所述阻变转换层上沉积所述活性金属材料，得到顶层活性金属层；
[0012]使用所述水溶性惰性金属材料，在所述顶层活性金属层上制备顶电极，得到水溶性忆阻器阵列；
[0013]根据所述水溶性忆阻器阵列的阈值电压分布情况和参比电压，确定所述PUF密钥，得到易失型忆阻式PUF器件。
[0014]可选的，所述使用水溶性惰性金属材料，在衬底上制备底电极，包括：
[0015]将线宽为10～50微米的条形阵列状的第一物理掩膜版固定在所述衬底上；
[0016]采用磁控溅射在所述衬底上制备45～50纳米厚的水溶性惰性金属材料，得到底电极。
[0017]可选的，所述在所述底电极上进行沉积活性金属材料，得到底层活性金属层，包括：
[0018]通过磁控溅射在所述底电极上沉积3～5纳米的活性金属材料，得到底层活性金属层。
[0019]可选的，所述使用水溶性介质材料，在所述底层活性金属层上制备阻变转换层，包括：
[0020]将所述第一物理掩膜版替换为方形阵列交叉点掩模版，并将所述方形阵列交叉点掩膜版对准贴附在所述底层活性金属层；
[0021]在所述底层活性金属层上沉积18～22纳米厚的水溶性介质材料，得到阻变转换层。
[0022]可选的，所述以与所述底电极呈十字交叉的方向，在所述阻变转换层上沉积所述活性金属材料，得到顶层活性金属层，包括：
[0023]将所述方形阵列交叉点掩膜版替换为条型阵列状第二物理掩膜版，与所述底电极呈十字交叉方向上对准贴附在所述阻变转换层上，所述第二物理掩膜版的线宽与所述第一物理掩膜版的线宽相同；
[0024]采用磁控溅射在所述阻变转换层上沉积3～5纳米厚的活性金属材料，得到顶层活性金属层；
[0025]所述使用水溶性惰性金属材料，在所述顶层活性金属层上制备顶电极，得到水溶性忆阻器阵列，包括：
[0026]采用磁控溅射在所述顶层活性金属层上制备45～50纳米厚的所述水溶性惰性金属材料，得到水溶性忆阻器阵列。
[0027]可选的，所述使用水溶性惰性金属材料，在衬底上制备底电极之前，还包括：
[0028]对初始衬底进行清洗；
[0029]分别使用丙酮，异丙醇对所述清洗后的衬底进行超声处理，得到超声处理后的衬底；
[0030]用去离子水对所述超声处理后的衬底进行冲洗处理，并使用氮气枪吹干，得到衬底。
[0031]可选的，所述根据所述水溶性忆阻器阵列的阈值电压分布情况和参比电压，确定PUF密钥，得到易失型忆阻式PU本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种易失型忆阻式PUF器件的制备方法，其特征在于，包括：使用水溶性惰性金属材料，在衬底上制备底电极；在所述底电极上沉积活性金属材料，得到底层活性金属层；使用水溶性介质材料，在所述底层活性金属层上制备阻变转换层；以与所述底电极呈十字交叉的方向，在所述阻变转换层上沉积所述活性金属材料，得到顶层活性金属层；使用所述水溶性惰性金属材料，在所述顶层活性金属层上制备顶电极，得到水溶性忆阻器阵列；根据所述水溶性忆阻器阵列的阈值电压分布情况，设定参比电压；确定物理防克隆函数PUF密钥，得到易失型忆阻式PUF器件。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用水溶性惰性金属材料，在衬底上制备底电极，包括：将线宽为10～50微米的条形阵列状的第一物理掩膜版固定在所述衬底上；采用磁控溅射在所述衬底上制备45～50纳米厚的水溶性惰性金属材料，得到底电极。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述底电极上沉积活性金属材料，得到底层活性金属层，包括：通过磁控溅射在所述底电极上沉积3～5纳米的活性金属材料，得到底层活性金属层。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述使用水溶性介质材料，在所述底层活性金属层上制备阻变转换层，包括：将所述第一物理掩膜版替换为方形阵列交叉点掩模版，并将所述方形阵列交叉点掩膜版对准贴附在所述底层活性金属层上；在所述底层活性金属层上沉积18～22纳米厚的水溶性介质材料，得到阻变转换层。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述以与所述底电极呈十字交叉的方向，在所述阻变转换层上沉积所述活性金属材料，得到顶层活性金属层，包括：将所述方形阵列交叉点掩膜版替换为条型阵列状第二物理掩膜版，并将所述第二物理掩膜版与所述底电极呈十字交叉方向对准贴附在所述阻变转换层上，所述第二物理掩膜版的线宽与所述第一物理掩膜版的线宽相同；采用磁控溅射在所述阻变转换层上沉积3～5纳米厚的活性金属材料，得到顶层活性金属层；所述使用水溶性惰性金属材料，在所述顶层活性金属层上制备顶电极，得到水溶性忆阻...
【专利技术属性】
技术研发人员：马晓华，孙静，王宏，杨眉，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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