JP2020136690A

JP2020136690A - 電子装置及び認証装置

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Publication number: JP2020136690A
Application number: JP2019022810A
Authority: JP
Inventors: 秀樹北田; Hideki Kitada
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: JP7205273B2

Abstract

【課題】認証装置に用いられるものであって、情報の書き換えが可能な電子装置を提供する。【解決手段】酸化膜と、前記酸化膜の一方の面に設けられた第１の電極と、前記酸化膜の他方の面に設けられた第２の電極及び第３の電極と、を有し、前記第１の電極が正極、前記第２の電極が負極となる電圧を印加する第１の制御と、前記第１の電極または前記第２の電極が正極、前記第３の電極が負極となる電圧を印加する第２の制御と、を有することを特徴とする電子装置により上記課題を解決する。【選択図】図４

Description

本発明は、電子装置及び認証装置に関するものである。

近年、セキュリティ対策の一つとして、ランダムで制御不可能な物理的特徴を利用したＰＵＦ（Physically Unclonable Function：物理複製不可能回路）を用いた認証装置が注目されている。このようなＰＵＦを用いた認証装置には、半導体デバイスを用いて抵抗変化を利用したものがある。

特開２０１７−１３０８７８号公報特開２０１７−１６９０４９号公報特開２０１７−２１５９３５号公報特開２０１６−１３１２１６号公報

しかしながら、上記のような半導体デバイスを用いたものは、部分的に素子の一部を破壊するものであるため、書き換えができない。このため、認証装置として用いることのできるものであって、情報の書き換えが可能な電子装置が求められていた。

本実施の形態の一観点によれば、酸化膜と、前記酸化膜の一方の面に設けられた第１の電極と、前記酸化膜の他方の面に設けられた第２の電極及び第３の電極と、を有し、前記第１の電極が正極、前記第２の電極が負極となる電圧を印加する第１の制御と、前記第１の電極または前記第２の電極が正極、前記第３の電極が負極となる電圧を印加する第２の制御と、を有することを特徴とする。

開示の電子装置によれば、認証装置に用いられる電子装置において情報の書き換えが可能となる。

第１の実施の形態における電子装置の全体の構造図第１の実施の形態における電子装置の要部拡大図第１の実施の形態における電子装置の説明図（１）第１の実施の形態における電子装置の説明図（２）第１の実施の形態における電子装置の説明図（３）第１の実施の形態における電子装置の説明図（４）第１の実施の形態における電子装置の説明図（５）第１の実施の形態における電子装置の製造方法の説明図（１）第１の実施の形態における電子装置の製造方法の説明図（２）第１の実施の形態における認証装置の説明図第２の実施の形態における電子装置の上面図第２の実施の形態における電子装置の全体の構造図第２の実施の形態における電子装置の要部拡大図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。また、説明の便宜上、図面における縦横の縮尺等は実際と異なる場合がある。

〔第１の実施の形態〕
最初に、認証装置について簡単に説明する。セキュリティの認証方式には、物理的ばらつきを用いたＰＵＦ（物理複製不可能回路）を用いたものが考えられている。このようなＰＵＦでは、ランダムな情報を暗号化キーとして用いているが、トライアンドエラーを繰り返すことにより、暗号化キーが読み取られてしまう可能性がある。上記のような方法では、暗号化キーの情報量が少ないと読み取られやすいことから、暗号化キーが読み取られることを防ぐため、暗号化キーの情報量を増やす方法が考えられる。しかしながら、暗号化キーの情報量が増えると、その分、情報通信の際の負担が増大する。このため、暗号化キーの情報量が少なく、読み取られにくいものが求められている。

一般的には、ＰＵＦの用途に用いることが可能な電子装置は、電子装置を製造する際の製造誤差等に基づき情報が生成されるため、情報を書き換えることができない。このため、本願発明者は、暗号化キーの情報を定期的に書き換えることができれば、暗号化キーの情報量が少なくても、読み取られにくいと考え、書き換え可能であって、ＰＵＦの用途に用いることのできる電子装置を想到するに至った。このような電子装置を認証装置に用いることにより、暗号化キーの情報量が少なくても、読み取られにくくすることができる。

（電子装置）
次に、第１の実施の形態における電子装置について説明する。本実施の形態における電子装置は、暗号化キーとなる情報を書き換えることができるものであって、認証装置に用いることが可能なものである。

本実施の形態における電子装置は、図１及び図２に示されるように、酸化膜１０の一方の面１０ａの側に設けられた第１の電極２０と、一方の面１０ａとは反対の他方の面１０ｂの側に設けられた第２の電極３１及び第３の電極３２とを有している。本実施の形態においては、酸化膜１０の両面に設けられている対向している１組の第１の電極２０、第２の電極３１及び第３の電極３２により１つのメモリセル５０が形成されている。図１に示すように、このようなメモリセル５０は、１つの酸化膜１０に複数設けられており、各々のメモリセル５０における第１の電極２０、第２の電極３１及び第３の電極３２は、制御部６０に接続されている。

酸化膜１０は、ＨｆＯ_Ｘ、ＮｉＯ_Ｘ、ＡｌＯ_Ｘ、ＴａＯ_Ｘ、ＷＯ_Ｘ、ＺｎＯ_Ｘ、ＺｒＯｘ等の酸化物により形成されており、膜厚は数十ｎｍである。尚、酸化膜１０は、一部窒素が含まれている酸窒化膜により形成されているものであってもよく、本願においては、このような酸窒化膜も酸化膜に含むものとする場合がある。

第１の電極２０は、後述する金属イオンを供給するための電極であり、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等により形成されている。

第２の電極３１は、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ等により形成されている。

第３の電極３２は、金属等の導電性を有する材料により形成されているが、製造工程等を考慮した場合、第２の電極３１と同じ材料であることが好ましい。尚、第３の電極３２は、１つのメモリセルにおいて、複数設けられていてもよい。

本実施の形態における説明では、酸化膜１０はＨｆＯ_Ｘにより形成されており、第１の電極２０はＴｉにより形成されており、第２の電極３１及び第３の電極３２はＰｔにより形成されている場合について説明する。

（情報の記憶及び書き換え）
次に、本実施の形態における電子装置における情報の記憶及び書き換えについて説明する。本実施の形態における電子装置における情報の記憶及び書き換え等は、制御部６０における制御に基づき行われる。

最初に、本実施の形態における電子装置において、情報を記憶する場合について説明する。図３は、本実施の形態における電子装置において、情報が記憶されている状態を示す。

本実施の形態における電子装置に情報を記憶する際には、図４に示されるように、第１の電極２０が正（＋）、第２の電極３１が負（−）となるように電圧を印加する。尚、第３の電極３２には、電圧を印加しない。このように電圧を印加することにより、陽極となる第１の電極２０から、第１の電極２０を形成している金属の金属イオン２１が、破線矢印Ａに示すように、酸化膜１０の膜中を第２の電極３１に向かって移動する。このような金属イオン２１の移動は、酸化膜１０の膜中に存在している酸素欠損を利用して移動するため、このような金属イオン２１の移動により、図３に示されるように、酸化膜１０の膜中に、金属イオン２１が連なったフィラメントが形成される。酸化膜１０の膜中には、酸素欠損はランダムに存在していることから、金属イオン２１によるフィラメントの形状もランダムに形成される。

具体的には、第１の電極２０と第２の電極３１とが電気的に接続されるように、金属イオン２１によるフィラメントが形成される場合や、途中までしか金属イオン２１によるフィラメントが形成されない場合がある。また、途中までしか金属イオン２１によるフィラメントが形成されない場合であっても、金属イオン２１によるフィラメントと第２の電極３１との間隔はランダムとなる。

このようにフィラメントが形成された各々のメモリセル５０の第１の電極２０と第２の電極３１との間に電圧を印加し、流れる電流を測定する。流れる電流が所定のしきい値以上のメモリセルの情報を「１」とし、所定のしきい値に満たないメモリセルの情報を「０」とすることにより、ランダムな情報を作成することができる。

次に、本実施の形態における電子装置において、情報を書き換える場合について説明する。

本実施の形態における電子装置において、情報を書き換える際には、最初に記憶されている情報を消去する動作となるリセットを行う。

具体的には、図５に示されるように、第１の電極２０及び第３の電極３２が負（−）、第２の電極３１が正（＋）となるように電圧を印加する。フィラメントを形成していた金属イオン２１は陽イオンであるため、このように電圧を印加することにより、金属イオン２１は、破線矢印Ｂに示すように、陰極となる第１の電極２０及び第３の電極３２に向かって移動する。このため、形成されていたフィラメントが崩れる。

次に、図６に示されるように、第１の電極２０が正（＋）、第３の電極３２が負（−）となるように電圧を印加し、第２の電極３１には、電圧を印加しないか、正（＋）となるようにする。このように電圧を印加することにより、フィラメントを形成していた金属イオン２１は、破線矢印Ｃに示すように、陰極となる第３の電極３２に向かって移動する。

次に、図７に示されるように、再び、図４と同様に電圧を印加する。これにより、金属イオン２１は、破線矢印Ｄに示すように、第３の電極３２の側から第２の電極３１に移動するため、元の状態とは異なる金属イオン２１のフィラメントが形成される。このように、元の状態とは異なる金属イオン２１のフィラメントが形成されることにより、本実施の形態においては、メモリセルにおいて、再現性の低い情報の書き換えを行うことができる。

尚、情報を消去する際に、図４に示される場合と、反対の極性の電圧を印加した場合、金属イオン２１は移動した経路を元に戻る。具体的には、第１の電極２０が負（−）、第２の電極３１が正（＋）となるように電圧を印加した場合、金属イオン２１は移動した経路を元に戻る。このため、再び、図４に示されるように電圧を印加しても、前と同じ経路を辿り金属イオン２１が移動し、元の状態と同様の金属イオン２１のフィラメントが形成される。よって、メモリセルの情報の書き換えは、実質的にはあまりなされず、ＰＵＦの用途としては、あまり好ましくはない。

上記においては、情報を消去する動作は、図５に示す工程と、図６に示す工程の２段階で行う場合について説明したが、情報を消去する動作は、図５に示す工程のみであってもよく、図６に示す工程のみであってもよい。尚、より再現性の低い情報の書き換えを行うためには、上記のように、リセットは、図５に示す工程と、図６に示す工程の２段階で行うことが好ましい。

また、本実施の形態は、第１の電極２０をＰｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ等により形成し、第２の電極３１をＴｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等により形成し、各々の電極に印加する電圧の極性を上記と反対にしたものであってもよい。しかしながら、できるだけ再現性の低い書き換えを行うには、第１の電極２０をＴｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ等により形成し、第２の電極３１をＰｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕ等により形成し、上記のように電圧を印加することが好ましい。

（電子装置の製造方法）
次に、本実施の形態における電子装置の製造方法について説明する。本実施の形態における電子装置は、図８及び図９に示されるように、第１の電極２０が形成されている第１の部材７０と、第２の電極３１及び第３の電極３２が形成されている第２の部材８０とにより形成されるものであってもよい。尚、便宜上、図８及び図９に示されるものは、図１等に示されるものとは、細部において形状等の異なっている部分が存在している。

最初に、図８に示されるように、第１の電極２０が形成されている第１の部材７０と、第２の電極３１及び第３の電極３２が形成されている第２の部材８０とを作製する。第１の部材７０は、樹脂材料やセラミックス等の絶縁体により形成された基板に、複数の第１の電極２０が形成されており、第１の電極２０の上には、第１の電極２０を覆う第１の酸化膜１１が形成されている。第２の部材８０は、シリコン等により形成された基板に、複数の第２の電極３１及び第３の電極３２が形成されており、第２の電極３１及び第３の電極３２の上には、第２の電極３１及び第３の電極３２を覆う第２の酸化膜１２が形成されている。また、第２の部材８０には、ＲＯＭ（Read only memory）８１が形成されている。尚、図８及び図９においては、第２の部材８０の内部にＲＯＭ８１が設けられている状態を示すものであるが、実際には、ＲＯＭ８１は、第２の部材８０の表面側に形成されている。

次に、図９に示されるように、第１の部材７０の第１の酸化膜１１が形成されている面と、第２の部材８０の第２の酸化膜１２が形成されている面とを直接接合により接合する。これにより、第１の酸化膜１１と第２の酸化膜１２とにより酸化膜１０が形成され、本実施の形態における電子装置が製造される。

（認証装置）
次に、本実施の形態における電子装置を用いた認証装置について、図１０に基づき説明する。図１０は、本実施の形態における認証装置の要部を示すものであり、本実施の形態における電子装置１００、制御部６０、読み出し部１０１、識別子生成部１０２等を有している。本実施の形態における認証装置の制御は、電子装置１００の制御を含め、制御部６０によりなされる。

本実施の形態においては、電子装置１００に所定の電圧を印加することにより、暗号化キーのもととなる情報を作成する。電子装置１００に作成された情報は、読み出し部１０１により電流等の情報として読み取られ、読み取られた電流等の情報は、識別子生成部１０２に送られる。識別子生成部１０２では、読み出し部１０１により読み取られた電流等の値が、所定のしきい値以上であるか否かにより「１」、「０」に分けられ識別子が生成される。このように得られた識別子は暗号化キーとして用いることができ、データベースに記憶しておく。

外部より、本実施の形態における認証装置を含む電子機器にアクセスする場合には、電子機器にアクセスするために入力された入力情報が、暗号化キーの情報と一致しているか否かが判断される。具体的は、入力情報が暗号化キーと一致している場合には、電子機器にアクセスすることができ、一致していない場合には、電子機器にはアクセスすることはできない。

本実施の形態においては、制御部６０による制御に基づき、暗号化キーの情報が読み取られる前に、所定の時間ごとに、電子装置１００におけるメモリセル５０の情報の書き換えが行われる。よって、暗号化キーの情報量が少なくても、暗号化キーの情報が読み取られることを防ぐことができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、図１１に示されるように、第３の電極３２の周囲を囲むように、第２の電極３１が形成されている構造のものである。図１１は、本実施の形態における電子装置を形成している１つのメモリセルの上面図であり、図１２は、本実施の形態における電子装置の断面図であり、図１３は、図１２の要部拡大図である。

図１１に示されるように、第３の電極３２の周囲を囲むように第２の電極３１が形成されているため、図５及び図６に示されるように、リセットする電圧を印加した場合に、金属イオン２１は第３の電極３２に集まるように移動する。従って、再び情報を記憶するための電圧が印加した場合、第２の電極３１の周囲に広がるように移動し、金属イオン２１のフィラメントを形成するため、元の金属イオン２１のフィラメントとは、異なる形状の金属イオン２１のフィラメントが形成される。これにより、より一層再現性の低い書き換えがなされる。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
酸化膜と、
前記酸化膜の一方の面に設けられた第１の電極と、
前記酸化膜の他方の面に設けられた第２の電極及び第３の電極と、
を有し、
前記第１の電極が正極、前記第２の電極が負極となる電圧を印加する第１の制御と、前記第１の電極または前記第２の電極が正極、前記第３の電極が負極となる電圧を印加する第２の制御と、を有することを特徴とする電子装置。
（付記２）
前記第２の制御において、前記第１の電極が負極、前記第２の電極が正極となる電圧を印加することを特徴とする付記１に記載の電子装置。
（付記３）
前記第２の制御において、前記第１の電極が正極となる電圧を印加し、前記第２の電極には電圧を印加しないことを特徴とする付記１に記載の電子装置。
（付記４）
前記第１の電極が正極、前記第２の電極が負極となる電圧を印加すると、前記第１の電極を形成している金属のイオンが、前記酸化膜の内部を前記第２の電極に向かって移動し、前記金属イオンによるフィラメントを形成し、
前記第１の電極または前記第２の電極が正極、前記第３の電極が負極となる電圧を印加すると、前記フィラメントを形成していた前記金属イオンが、前記酸化膜の内部を前記第３の電極に向かって移動することを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の電子装置。
（付記５）
前記第１の制御の後に実行された前記第２の制御の後、再度前記第１の制御が実行される場合、前記第１の電極が正極、前記第２の電極が負極となる電圧を印加する制御を行うことを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の電子装置。
（付記６）
前記酸化膜は、ＨｆＯ_Ｘ、ＮｉＯ_Ｘ、ＡｌＯ_Ｘ、ＴａＯ_Ｘ、ＷＯ_Ｘ、ＺｎＯ_Ｘ、ＺｒＯｘのうちのいずれかを含むものにより形成されており、
前記第１の電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕのうちのいずれかを含むものにより形成されており、
前記第２の電極及び前記第３の電極は、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕのうちのいずれかを含むものにより形成されていることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の電子装置。
（付記７）
前記酸化膜を挟んで対向する１組の前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極によりメモリセルが形成されるものであって、
前記酸化膜には、複数のメモリセルが設けられていることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載の電子装置。
（付記８）
前記第１の電極と、前記第１の電極の上に形成された第１の酸化膜とを有する第１の部材と、
前記第２の電極及び前記第３の電極と、前記第２の電極及び前記第３の電極の上に形成された第２の酸化膜とを有する第２の部材と、
を有し、
前記第１の部材と前記第２の部材は、前記第１の部材の前記第１の酸化膜と、前記第２の部材の前記第２の酸化膜とにおいて接合されており、
接合された前記第１の酸化膜と前記第２の酸化膜により、前記酸化膜が形成されるものであることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の電子装置。
（付記９）
前記酸化膜の他方の面において、前記第３の電極は、前記第２の電極の周囲を囲むように設けられていることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の電子装置。
（付記１０）
前記第１の制御および前記第２の制御が、所定の時間ごとに実行されることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の電子装置。
（付記１１）
付記１から１０のいずれかに記載の電子装置と、
前記電子装置に記憶されている情報を読み出す読み出し部と、
前記読み出し部により読み出された情報に基づき暗号化キーとなる識別子を生成する識別子生成部と、
を有することを特徴とする認証装置。

１０酸化膜
１０ａ一方の面
１０ｂ他方の面
２０第１の電極
２１金属イオン
３１第２の電極
３２第３の電極
５０メモリセル
６０制御部

Claims

酸化膜と、
前記酸化膜の一方の面に設けられた第１の電極と、
前記酸化膜の他方の面に設けられた第２の電極及び第３の電極と、
を有し、
前記第１の電極が正極、前記第２の電極が負極となる電圧を印加する第１の制御と、前記第１の電極または前記第２の電極が正極、前記第３の電極が負極となる電圧を印加する第２の制御と、を有することを特徴とする電子装置。
前記第２の制御において、前記第１の電極が負極、前記第２の電極が正極となる電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
前記第２の制御において、前記第１の電極が正極となる電圧を印加し、前記第２の電極には電圧を印加しないことを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
前記第１の制御の後に実行された前記第２の制御の後、再度前記第１の制御が実行される場合、前記第１の電極が正極、前記第２の電極が負極となる電圧を印加する制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子装置。
前記酸化膜は、ＨｆＯ_Ｘ、ＮｉＯ_Ｘ、ＡｌＯ_Ｘ、ＴａＯ_Ｘ、ＷＯ_Ｘ、ＺｎＯ_Ｘ、ＺｒＯｘのうちのいずれかを含むものにより形成されており、
前記第１の電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕのうちのいずれかを含むものにより形成されており、
前記第２の電極及び前記第３の電極は、Ｐｔ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｕのうちのいずれかを含むものにより形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電子装置。
前記酸化膜を挟んで対向する１組の前記第１の電極、前記第２の電極及び前記第３の電極によりメモリセルが形成されるものであって、
前記酸化膜には、複数のメモリセルが設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子装置。
前記第１の電極と、前記第１の電極の上に形成された第１の酸化膜とを有する第１の部材と、
前記第２の電極及び前記第３の電極と、前記第２の電極及び前記第３の電極の上に形成された第２の酸化膜とを有する第２の部材と、
を有し、
前記第１の部材と前記第２の部材は、前記第１の部材の前記第１の酸化膜と、前記第２の部材の前記第２の酸化膜とにおいて接合されており、
接合された前記第１の酸化膜と前記第２の酸化膜により、前記酸化膜が形成されるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子装置。
前記酸化膜の他方の面において、前記第３の電極は、前記第２の電極の周囲を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電子装置。
前記第１の制御および前記第２の制御が、所定の時間ごとに実行されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の電子装置。
請求項１から９のいずれかに記載の電子装置と、
前記電子装置に記憶されている情報を読み出す読み出し部と、
前記読み出し部により読み出された情報に基づき暗号化キーとなる識別子を生成する識別子生成部と、
を有することを特徴とする認証装置。