JP7134816B2 - Chip unique random number generator - Google Patents
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Description
本発明は、チップ固有乱数発生回路に関する。 The present invention relates to a chip unique random number generating circuit.
半導体チップの悪意の複製を防止するために、物理的な複製防止機能(PUF:Physical Unclonable Function)が注目されている。PUFは、半導体チップ上に形成される素子のばらつきを利用して、再現可能な乱数を生成するものであり、チップ毎の固有の「指紋」と把握される。この乱数は、たとえば暗号のための秘密鍵として用いられる。 A physical unclonable function (PUF) has attracted attention in order to prevent malicious duplication of semiconductor chips. A PUF uses variations in elements formed on a semiconductor chip to generate reproducible random numbers, and is understood as a unique “fingerprint” for each chip. This random number is used, for example, as a secret key for encryption.
PUFが生成する乱数は、メモリ内または他の静的状態では存在しないように設計できるため、リバースエンジニアリング(覗き見)に対して堅牢である。この特徴を利用してセキュリティー分野での応用が期待されている。 The random numbers generated by the PUF can be designed so that they do not exist in memory or other static state, making them robust against reverse engineering (peeping). Utilizing this feature, it is expected to be applied in the field of security.
PUFの実装例として、SRAM(Static Random Access Memory)-PUFが提案されている。図1は、SRAM-PUF回路のセルの回路図である。セル100は、クロスカップルされたインバータ102,104のペアを含む。回路の起動直後におけるセルのビットの値は、インバータ102、104それぞれの論理しきい値Vthのバランスに応じて定まる。セル毎に、論理しきい値Vth(gs)はばらつくため、複数のセルの値のセットは、乱数となる。
SRAM (Static Random Access Memory)-PUF has been proposed as an implementation example of PUF. FIG. 1 is a circuit diagram of a cell of an SRAM-PUF circuit.
ところが、ばらつきは微小であり、加えて電源電圧や温度などの環境条件によって変動するので、熱雑音や環境変動の影響で値が変化し、ビットエラーが発生するという問題がある。 However, since the variation is very small and varies depending on environmental conditions such as power supply voltage and temperature, there is a problem that the value changes due to the influence of thermal noise and environmental variation, and bit error occurs.
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ビットエラー率を低減したPUF回路の提供にある。 The present invention has been made in view of such problems, and one exemplary purpose of certain aspects thereof is to provide a PUF circuit with a reduced bit error rate.
本発明のある態様は、チップ固有乱数発生回路(PUF回路)に関する。チップ固有乱数発生回路は、クロスカップルされた第1インバータおよび第2インバータと、第1インバータと第2インバータの電気的状態に、制御可能なインバランスを与えるインバランス発生器と、を備える。 One aspect of the present invention relates to a chip-specific random number generator (PUF circuit). The chip-specific random number generator circuit includes cross-coupled first and second inverters and an imbalance generator that imparts a controllable imbalance to the electrical states of the first and second inverters.
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Arbitrary combinations of the above constituent elements, or conversions of the expressions of the present invention between methods, apparatuses, and the like are also effective as embodiments of the present invention.
本発明のある態様によれば、ビットエラー率を低減できる。 According to one aspect of the present invention, the bit error rate can be reduced.
(実施の形態の概要)
本明細書には、一実施の形態に係るチップ固有乱数発生回路(PUF回路ともいう)が開示される。チップ固有乱数発生回路は、クロスカップルされた第1インバータおよび第2インバータと、第1インバータと第2インバータの電気的状態に、制御可能なインバランスを与えるインバランス発生器と、を備える。
(Overview of Embodiment)
This specification discloses a chip-specific random number generation circuit (also referred to as a PUF circuit) according to one embodiment. The chip-specific random number generator circuit includes cross-coupled first and second inverters and an imbalance generator that imparts a controllable imbalance to the electrical states of the first and second inverters.
この実施の形態によると、電気的状態を変えながらビットの値をチェックすることにより、値の安定しないビットをスクリーニングすることができる。 According to this embodiment, it is possible to screen bits with unstable values by checking the values of the bits while changing the electrical state.
インバランス発生器は、第1インバータおよび第2インバータの対応する一端に、異なる電圧を印加可能であってもよい。これにより2個のインバータの電気的状態にインバランスを与えることができる。 The imbalance generator may be capable of applying different voltages to corresponding ends of the first inverter and the second inverter. This can imbalance the electrical states of the two inverters.
インバランス発生器は、第1インバータの電流経路と第2インバータの電流経路それぞれに、可変のインピーダンスを挿入可能であってもよい。これにより2個のインバータの電気的状態にインバランスを与えることができる。 The imbalance generator may be capable of inserting variable impedance into each of the current path of the first inverter and the current path of the second inverter. This can imbalance the electrical states of the two inverters.
インバランス発生器は、第1インバータの一端と固定電圧ラインの間に設けられる第1スイッチと、第2インバータの一端と固定電圧ラインの間に設けられる第2スイッチと、第1インバータの一端と第2インバータの一端との間に設けられた少なくともひとつのインピーダンス素子と、を含んでもよい。固定電圧ラインは、接地ラインであってもよいし、電源ラインであってもよい。 The imbalance generator includes a first switch provided between one end of the first inverter and the fixed voltage line, a second switch provided between one end of the second inverter and the fixed voltage line, and one end of the first inverter. and at least one impedance element provided between the one end of the second inverter. The fixed voltage line may be a ground line or a power supply line.
第1インバータおよび第2インバータはそれぞれ、EE(Enhancement Enhancement)インバータであり、負荷トランジスタのゲートが制御ラインと接続されてもよい。EEインバータを用いることで、CMOSインバータを用いた場合に比べて、ビットエラーを低減できる。ただしEEインバータを用いると、一方のインバータに定常電流が流れるため、それを阻止するために、負荷トランジスタのゲートを制御可能として、ダイナミック動作させることで、消費電力の増加を防止できる。 Each of the first inverter and the second inverter may be an EE (Enhancement Enhancement) inverter, and the gate of the load transistor may be connected to the control line. Using an EE inverter can reduce bit errors compared to using a CMOS inverter. However, when an EE inverter is used, a steady current flows through one of the inverters. In order to prevent this, the gate of the load transistor is made controllable for dynamic operation, thereby preventing an increase in power consumption.
第1インバータおよび第2インバータはそれぞれ、EE(Enhancement Enhancement)インバータであってもよい。この場合においてインバランス発生器は、第1インバータおよび第2インバータそれぞれの負荷トランジスタのゲートに、個別の制御電圧を印加可能であってもよい。これにより、これにより2個のインバータの電気的状態にインバランスを与えることができる。 Each of the first inverter and the second inverter may be an EE (Enhancement Enhancement) inverter. In this case, the imbalance generator may be capable of applying separate control voltages to the gates of the load transistors of each of the first and second inverters. This makes it possible to imbalance the electrical states of the two inverters.
インバランス発生器は、セル毎に設けられてもよい。これにより制御を簡素化できる。 An imbalance generator may be provided for each cell. This simplifies control.
インバランス発生器は、複数のセルごとに1個、設けられてもよい。たとえばワードラインごとに1個のインバランス発生器を設けてもよいし、ビットライン対ごとに1個のインバランス発生器を設けてもよいし、セル行列ごとに1個のインバランス発生器を設けてもよいし、PUF回路全体で1個のインバランス発生器を設けてもよい。1個のインバランス発生器につながるセルの数を少なくすればセル間の干渉を低減できる。反対に1個のインバランス発生器につながるセルの数を多くすれば、インバランス発生器の個数を減らすことができ、回路面積の増加を抑制できる。 One imbalance generator may be provided for every plurality of cells. For example, there may be one imbalance generator per word line, one imbalance generator per bit line pair, or one imbalance generator per cell matrix. may be provided, or one imbalance generator may be provided for the entire PUF circuit. Inter-cell interference can be reduced by reducing the number of cells connected to one imbalance generator. Conversely, if the number of cells connected to one imbalance generator is increased, the number of imbalance generators can be reduced and an increase in circuit area can be suppressed.
(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, or a case in which member A and member B are electrically connected to each other. It also includes the case of being indirectly connected via other members that do not substantially affect the connected state or impair the functions and effects achieved by their combination.
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "the state in which member C is provided between member A and member B" refers to the case where member A and member C or member B and member C are directly connected, as well as the case where they are electrically connected. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.
図2は、実施の形態に係るPUF回路200の回路図である。PUF回路200は、M行N列(M,Nは任意の整数)のマトリクス状に配置された複数のセルCと、M本のワードラインWL1~WLM,N本のビットラインのペアBL1,\BL1~BLN,\BLNを含む。記号\は否定論理を表す。i行j列目のセルをCijとする。j列目(1≦j≦N)のビットラインのペアBLj,\BLjには、センスアンプSAjが接続される。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
PUF回路200を搭載する半導体チップが起動すると、各セルは、プロセスばらつきによって決まる状態に安定化する。そして複数のセルの値を読み出すことで、乱数が生成される。
When the semiconductor chip on which the
図3は、実施の形態に係るセル300の回路図である。セル300は、主としてラッチ回路310、読み出し回路320、インバランス発生器330を備える。図3には、i行j列目のセルが示される。
FIG. 3 is a circuit diagram of a
ラッチ回路310は、クロスカップルされた第1インバータ312および第2インバータ314を含む。読み出し回路320は、第1インバータ312の出力とビットラインBLjの間に設けられたトランジスタM31と、第2インバータ314の出力と反転ビットライン\BLjの間に設けられたトランジスタM32を含む。
インバランス発生器330は、PUF回路200を備える半導体チップの検査工程においてアクティブとなり、第1インバータ312と第2インバータ314の電気的状態に、制御可能なインバランスを与える。半導体チップ出荷後においてPUF回路200が固有の乱数を発生する段階(通常動作時)では、インバランス発生器330は非アクティブであり、第1インバータ312、第2インバータ314の電気的状態に与えるインバランスはゼロである。
The
以上がPUF回路200の構成である。PUF回路の各セル(ラッチ回路210)は、回路の起動毎に毎回同じ値に安定化することが求められる。しかしながらPUF回路は、ラッチ回路を構成する1組のインバータの微小なばらつきを利用しているため、ひとつのセルがとる値が起動毎に異なる値をとる場合がある。このようなセルを不安定なセルと呼ぶ。不安定なセルは、ビットエラーの原因となるため、半導体チップの検査工程において、不安定なセルを検出する処理を行う必要がある(スクリーニング)。そして不安定なセルの位置(アドレス)を情報として保持しておき、不安定なセルは不使用とする(マスク)。
The above is the configuration of the
図4(a)~(c)は、不安定セルのスクリーニングを説明する図である。従来のインバランス発生器330を有しないPUF回路では、PUF回路の起動、読み出しを何度も繰り返し、不安定なセルを検出していた。図4(a)~(c)は、セルの値が1となる確率分布を示す。具体的には、図4(a)に示すように、セルごとに、値が1(あるいは0)となる確率P1(P0)を取得する。そして図4(b)に示すように、確率P1が上側しきい値(たとえば99%)より高いセル、および下側しきい値(たとえば1%)より低いセルをパスと判定し、残りをフェイル(すなわち不安定セル)と判定してマスクする。P1+P0=100%であるから、P1<1%のセルは、P0>99%のセルに相当する。あるいは従来では、上側のしきい値を100%、下側のしきい値を0%とし、すなわち一度でも多数派と異なる値が発生したセルをフェイルとする場合もあった。
FIGS. 4(a) to 4(c) are diagrams illustrating the screening of unstable cells. In a conventional PUF circuit that does not have the
図4(c)は、図4(b)のマスクの後、温度変動が発生したときの確率分布を示す。温度変動が生ずる前は、セルCxにおいて、P1<1%であったが、温度変動により、20%<P1<80%となっている。またセルCyでは、温度変動が生ずる前は、P1>99%であったが、温度変動により80%<P1<99%となっている。すなわち上述のスクリーニングだけでは、温度変化等で初めて不安定になる潜在的な不安定セルを検出することが出来なかった。 FIG. 4(c) shows the probability distribution when temperature fluctuations occur after the mask of FIG. 4(b). Before the temperature fluctuation occurred, P1<1% in the cell Cx, but due to the temperature fluctuation, 20%<P1<80%. In the cell Cy, P1>99% before the temperature fluctuation occurred, but 80%<P1<99% due to the temperature fluctuation. In other words, the above-described screening alone cannot detect potentially unstable cells that become unstable only due to temperature changes or the like.
この問題は、実際に温度を変化させながらスクリーニングを行うとコストの増加、試験時間の長期化という問題を引き起こす。また温度変動の他にも、電源電圧変動や長期間使用(すなわち経年変化)など、さまざまな要因が確率分布に影響を及ぼしうる。 This problem causes problems such as an increase in cost and a longer test time if screening is actually performed while changing the temperature. In addition to temperature fluctuations, various other factors such as power supply voltage fluctuations and long-term use (i.e. aging) can affect the probability distribution.
図5(a)~(d)は、インバランス発生器330を用いたスクリーニングを説明する図である。スクリーニング時に、インバランス発生器330によりラッチ回路310の値が1となる極性でインバランスを与え、不安定セルを検出する。またインバランス発生器330によりラッチ回路310の値が0となる極性でインバランスを与え、不安定セルを検出する。
5A to 5D are diagrams for explaining screening using the
図5(a)は、インバランスがゼロのときの確率分布であり、図4(a)のそれと同じである。図5(b)は、第1の極性でインバランスを与えたときの確率分布であり、図5(c)は、第2の極性でインバランスを与えたときの確率分布である。最終的には、図5(a)~(c)のすべてにおいて、安定とされたセル(P1>99%、P1<1%)のみを使用セルとし、残りをマスクする(図5(d))。太字のXは、インバランスの導入により検出された潜在的な不安定セルを表す。 FIG. 5(a) shows the probability distribution when the imbalance is zero, which is the same as that of FIG. 4(a). FIG. 5(b) is the probability distribution when imbalance is applied with the first polarity, and FIG. 5(c) is the probability distribution when imbalance is applied with the second polarity. Finally, in all of FIGS. 5(a) to (c), only the stable cells (P1>99%, P1<1%) are used and the rest are masked (FIG. 5(d) ). Bold Xs represent potentially unstable cells detected due to imbalance introduction.
以上がPUF回路200の動作である。このPUF回路200によれば、スクリーニング時に、インバランス発生器330によってラッチ回路310にインバランスを与えることにより、温度変動や電源電圧変動において生じうる素子特性の変動を模擬することができる。それにより温度変動や電源電圧変動といったさまざまな要因に起因する潜在的な不安定セルを検出することができる。これにより、実動作時におけるビットエラー率を低下させることができる。
The above is the operation of the
本発明は、図3のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 The present invention extends to various apparatus and methods grasped as the block diagram and circuit diagram of FIG. 3 or derived from the above description, and is not limited to any particular configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and embodiments will be described not for narrowing the scope of the present invention, but for helping to understand the essence and operation of the invention and clarifying them.
図6は、一実施例に係るセル300Aの回路図である。このセル300Aにおいて、ラッチ回路310Aの第1インバータ312、第2インバータ314は、EE((Enhancement Enhancement)インバータである。EEインバータは、下側の駆動トランジスタM12,M22のみでなく、上側の負荷トランジスタM11,M21が、MOSFETで構成される。負荷トランジスタM11,M21のゲートはたとえばドレインと接続される。なお、図6、図8では、インバランス発生器330は省略される。
FIG. 6 is a circuit diagram of a
図7(a)~(c)は、EEインバータを用いたセルの電源投入時のバタフライカーブを示す図である。図7(a)~(c)では、電源電圧VDDが異なっている。図7(b)に示すように、電源電圧VDDの上昇とともに(VDD=1.2V)、単安定点はばらつきに応じて片側に移動する。さらに電源電圧VDDが上昇すると(VDD=1.6V)、図7(c)に示すように、双安定点の一方に誘導される。このように、EEインバータを用いることにより、単安定から双安定への遷移がインバータを構成するMOSトランジスタの強反転状態(オン状態)で起きるので当該遷移がすみやかになされて、CMOSインバータに比べて熱雑音の影響を受けにくい安定なPUFが得られる。これは上述のスクリーニングを行った場合に、不安定セルの割合を減少可能であることを意味する。つまり、あるビット数の乱数が必要である場合に、PUF回路200全体のサイズを小さくできる。
FIGS. 7(a) to 7(c) are diagrams showing butterfly curves at power-on of a cell using an EE inverter. In FIGS. 7A to 7C, the power supply voltage V DD is different. As shown in FIG. 7B, as the power supply voltage V DD rises (V DD =1.2 V), the monostable point shifts to one side according to the variation. When the power supply voltage V DD further increases (V DD =1.6V), it is induced to one of the bistable points, as shown in FIG. 7(c). Thus, by using the EE inverter, the transition from monostable to bistable occurs in the strong inversion state (ON state) of the MOS transistors forming the inverter, so that the transition can be made quickly compared to the CMOS inverter. A stable PUF that is less susceptible to thermal noise is obtained. This means that the proportion of unstable cells can be reduced when the above screening is performed. In other words, the size of the
図6のセル300Aは、負荷トランジスタM11,M21が常にオンであるため、インバータ312,314の一方に、定常的に直流電流が流れるため、消費電力が大きいという欠点がある。消費電流の増加は、以下で説明する実施例により解決される。
The
図8は、一実施例に係るセル300Bの回路図である。セル300Bでは、負荷トランジスタM11,M21のゲートが、行ごと制御ラインLEi(iは行番号)と接続され、それらのドレインが、列ごとの制御ラインPEj(jは列番号)と接続される。複数の制御ラインLEおよび複数の制御ラインPEは、個別に活性化可能となっている。
FIG. 8 is a circuit diagram of a
図9は、セル300Bを備えるPUF回路200Bの回路図である。この例では、32行、2列の構成を示す。
FIG. 9 is a circuit diagram of a
ビットセルアレイでは、選択されたビットセルに対応する制御ラインLEi,PEjのみに活性化電圧(VLE,VCELL)が印加されるため、EEインバータの直流電流は選択されたビットセルだけに流れることになる。したがって、図6のセル300Aに比べて、大幅な消費電力の削減が可能となる。読み出し終了後はすべての制御ラインLE,PEを不活性電圧にすることで一層の消費電力低減を図ることができる。このとき制御ラインLEよりも先に制御ラインPEを不活性電圧にするとセル内部のノードに蓄えられた電荷がすみやかに消去されるので、リバースエンジニアリング(覗き見)に対する耐性を強化できる。
In the bit cell array, the activation voltages (V LE , V CELL ) are applied only to the control lines LE i and PE j corresponding to the selected bit cells, so that the DC current of the EE inverter flows only to the selected bit cells. become. Therefore, compared with the
なお図8のセル300Bでは、負荷トランジスタM11,M21の、ゲート、ドレインそれぞれの電圧を制御可能としたがその限りでなく、それらの一方のみを制御可能としてもよい。
In the
なおラッチ回路310を構成するインバータ312,314の構成は、EEインバータに限定されず、図1に示すようなCMOSインバータを用いることも可能である。
The configuration of the
続いてインバランス発生器330の構成について説明する。図10は、一実施例に係るインバランス発生器330Cおよびセル300Cの回路図である。インバランス発生器330Cは、インバランスとして、第1インバータ312および第2インバータ314のソースの電圧VSSA,VSSBに電位差を発生可能に構成される。図10では、図8のラッチ回路310Bとの組み合わせを示すが、図6のラッチ回路310Aと組み合わせてもよい。
Next, the configuration of
ソースの電圧VSSA,VSSBに電位差を導入することで、駆動トランジスタM12,M22のゲートソース間電圧を変化させることができる。 By introducing a potential difference into the source voltages VSSA and VSSB, the gate-source voltage of the driving transistors M12 and M22 can be changed.
図11(a)、(b)は、一実施例に係るインバランス発生器330Cの回路図である。図11(a)に示すように、インバランス発生器330Cは、可変インピーダンス回路332、第1スイッチSWA、第2スイッチSWBを備える。可変インピーダンス回路332は、駆動トランジスタM12,M22それぞれのソースの間に設けられる。第1スイッチSWAは、駆動トランジスタM12のソースと接地の間に、第2スイッチSWBは、駆動トランジスタM22のソースと接地の間に設けられる。
11(a) and (b) are circuit diagrams of an
通常動作時には、第1スイッチSWA、第2スイッチSWBが両方オンとなり、インバランス発生器330Cが非アクティブとされる。スクリーニング時には、インバランスの極性に応じて、第1スイッチSWA、第2スイッチSWBの一方がオン、他方がオフとされる。
During normal operation, both the first switch SWA and the second switch SWB are turned on, and the
第1スイッチSWAがオンの状態を考える。第2インバータ314に流れる直流電流IDC2は、可変インピーダンス回路332、第1スイッチSWAを経由して接地に流れる。可変インピーダンス回路332には、電位差ΔV=IDC2×Rが発生するため、VSSB=VSSA+ΔVとなり、第1極性のインバランスが導入される。
Consider the state where the first switch SWA is on. A direct current IDC2 flowing through the
第2スイッチSWAがオンの状態では、第1インバータ312に流れる直流電流IDC1は、可変インピーダンス回路332、第2スイッチSWAを経由して接地に流れる。このとき、VSSB=VSSA-ΔVとなり、第2極性のインバランスが導入される。
When the second switch SWA is on, the DC current IDC1 flowing through the
抵抗値Rを変化させることにより、インバランスの量(ここでは電位差)を調節することができる。 By changing the resistance value R, the amount of imbalance (potential difference here) can be adjusted.
図11(b)に示すように、可変インピーダンス回路332は、並列に接続された複数のMOSトランジスタを含んでもよい。複数のトランジスタのオン、オフの組み合わせにより、それらの合成インピーダンスを変化させることができる。可変インピーダンス回路332の構成は、図11(b)のそれに限定されない。
As shown in FIG. 11(b), the
図11(c)は、一実施例に係るインバランス発生器330Dの回路図である。インバランス発生器330Dは、第1インバータ312の電流経路と第2インバータ314の電流経路それぞれに、可変のインピーダンスRA,RBを挿入可能である。具体的にはインバランス発生器330Dは、第1スイッチSWA、第2スイッチSWB、第1可変インピーダンス回路334、第2可変インピーダンス回路336を備える。
FIG. 11(c) is a circuit diagram of an
第1可変インピーダンス回路334は、第1インバータ312のソースと接地の間に、第1スイッチSWAと並列に設けられる。同様に第2可変インピーダンス回路336は、第2インバータ314のソースと接地の間に、第2スイッチSWBと並列に設けられる。
A first variable impedance circuit 334 is provided in parallel with the first switch SWA between the source of the
通常動作時は、第1スイッチSWA、第2スイッチSWBは両方オンとなる。 During normal operation, both the first switch SWA and the second switch SWB are turned on.
スクリーニング時は、第1スイッチSWA、第2スイッチSWBの少なくとも一方がオフされる。第1スイッチSWAがオフであるとき、VSSA=IDC1×RAであり、オンであるときVSSA=0Vである。また第2スイッチSWBがオフであるとき、VSSB=IDC2×RBであり、オンであるときVSSB=0Vである。インバランス発生器330Dによれば、スイッチSWA,SWBのオン、オフの組み合わせおよびインピーダンスRA,RBを制御することにより、可変のインバランスを発生できる。ここではインバランスの調整を可能にするために可変インピーダンスとしたが固定インピーダンスであってもよい。その方が回路構成を簡略化できる。
At the time of screening, at least one of the first switch SWA and the second switch SWB is turned off. When the first switch SWA is off, VSSA=I DC1 ×RA, and when it is on, VSSA=0V. When the second switch SWB is off, VSSB=I DC2 ×RB, and when it is on, VSSB=0V. The
一実施例においてインバランス発生器330は、複数のセルで共有される。図12は、一実施例に係るPUF回路200Fの回路図である。この実施例においてインバランス発生器330Cは、すべてのセル300Fに対して共通に設けられる。図13は、図12のPUF回路200Fに使用されるセル300Fの回路図である。この実施例において、すべてのセル300Fの第1インバータ312のソース同士は共通に接続され、インバランス発生器330Cが発生する電圧VSSAが印加可能である。またすべてのセル300Fの第2インバータ314のソース同士は共通に接続され、インバランス発生器330Cが発生する電圧VSSBが印加可能である。この実施例によれば、インバランス発生器330Cの個数を減らすことができ、回路面積の増加を抑制できる。
In one embodiment,
別の実施例において、インバランス発生器は、セルの行毎に1個設けてもよいし、セルの列ごとに1個設けてもよい。 In another embodiment, one imbalance generator may be provided for each row of cells or one may be provided for each column of cells.
図14は、一実施例に係るセル300Eおよびインバランス発生器330Eの回路図である。この実施例においてインバランス発生器330Eは、第1インバータ312、第2インバータ314それぞれの負荷トランジスタM11,M21のゲート電圧VG1,VG2を制御することにより、インバランスを発生する。この実施例によれば、負荷トランジスタM11,M21のインピーダンスにインバランスを導入することができる。
FIG. 14 is a circuit diagram of a cell 300E and an
半導体チップの検査工程において、不安定なセルをスクリーニングする手段として、インバランス発生器の適用を説明したがそれに限るものでは無い。たとえば半導体チップの出荷後、オフラインでマージンチェックや追加のスクリーニングする用途にもインバランス発生器を用いることができる。この場合、検査工程時よりもインバランスを小さくして、ワーニング発生頻度を小さくしたり、追加のマスクセルを少なくしたりしてもよい。 Although the application of the imbalance generator has been described as a means for screening unstable cells in the semiconductor chip inspection process, the present invention is not limited to this. For example, the imbalance generator can be used for off-line margin checks and additional screening after shipment of semiconductor chips. In this case, the imbalance may be made smaller than that in the inspection process to reduce the frequency of occurrence of warnings or to reduce the number of additional mask cells.
続いて、ビットエラーをさらに低減するための技術を説明する。図15は、キャリア注入によるビットエラー改善方法の概念を説明する図である。PUF回路は、各セルの負荷トランジスタM11,M21のドレイン(すなわち制御ラインPEj)に、通常動作時の電源電圧VDDより高い電圧VHIGHが印加可能に構成される。たとえばVDD=1.5Vであるとき、VHIGH=3~4V程度である。 Next, techniques for further reducing bit errors will be described. FIG. 15 is a diagram for explaining the concept of a method for improving bit errors by carrier injection. The PUF circuit is configured such that a voltage V HIGH higher than the power supply voltage VDD during normal operation can be applied to the drains of the load transistors M11 and M21 of each cell (that is, the control line PEj). For example, when V DD =1.5V, V HIGH =about 3 to 4V.
EEインバータを用いたラッチ形PUFの実使用より前の段階(たとえば製造工程や検査工程)において、値を評価データに確定させる。そして値を変化させずに、負荷トランジスタM11,M21のドレインの電圧(VPEj)を通常動作時の電圧(すなわち電源電圧VDD)より高く、一定期間上昇させる。この一定期間の長さは、トランジスタの信頼性が高電圧印加により低下しない程度の長さであり、たとえば数十~数百ms程度であってもよい。高電圧VHIGHの印加により、ラッチを構成する4個のトランジスタのうち、対角に配置される2個のトランジスタに選択的にホットキャリアが注入され、インバランスが拡大する。 At a stage (for example, a manufacturing process or an inspection process) prior to the actual use of the latch-type PUF using the EE inverter, values are determined as evaluation data. Then, without changing the value, the voltage (V PEj ) of the drains of the load transistors M11 and M21 is raised higher than the voltage during normal operation (that is, the power supply voltage V DD ) for a certain period of time. The length of this fixed period is such that the reliability of the transistor is not degraded by application of a high voltage, and may be, for example, several tens to several hundreds of milliseconds. The application of the high voltage V HIGH selectively injects hot carriers into two diagonally arranged transistors among the four transistors forming the latch, thereby increasing the imbalance.
例えばセルの値が"1"の時、図15に示す通りVa=Hi,Vb=Loなので、ドレインソース間電圧VDSの大きなトランジスタM21とM12にホットキャリア注入される。Va=Hi,Vb=Loとなる元々のインバランスは、Vth(M21)>Vth(M11)、Vth(M22)>Vth(M12)の方向であるから、選択的ホットキャリア注入によりインバランスを増強することができる。 For example, when the cell value is "1", Va=Hi and Vb=Lo as shown in FIG. 15, hot carriers are injected into the transistors M21 and M12 having a large drain-source voltage VDS . Since the original imbalance where Va=Hi and Vb=Lo is in the direction of Vth (M21) > Vth (M11) and Vth (M22) > Vth (M12) , the imbalance is enhanced by selective hot carrier injection. can do.
この時、ホットエレクトロン注入量が大きくなるよう、LE電圧(ゲート電圧)VLEをPE電圧VPEとは別の最適電圧に設定すると、効率よくインバランス拡大が可能である。一般にVLE<VPEとした方が負荷トランジスタM11,M21へのホットエレクトロン注入を大きくできる。たとえばVLE=VDDとすれば、VLE<VPEの関係は自ずと満たされるが、キャリア注入時のゲート電圧VLEとして、VDDと異なるより最適な電圧を選択してもよい。 At this time, if the LE voltage (gate voltage) V_LE is set to an optimum voltage different from the PE voltage V_PE so that the injection amount of hot electrons increases, the imbalance can be expanded efficiently. In general, hot electron injection into the load transistors M11 and M21 can be increased by setting V LE <V PE . For example, if V LE =V DD , the relationship V LE <V PE is naturally satisfied, but a more optimum voltage different from V DD may be selected as the gate voltage V LE during carrier injection.
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described above based on the embodiments. It should be understood by those skilled in the art that this embodiment is merely an example, and that various modifications can be made to the combination of each component and each treatment process, and that such modifications are within the scope of the present invention. be. Such modifications will be described below.
図10において、インバランス発生器330Cは、インバータのソース側に設けられたがその限りでなく、ドレイン側に設けて、電源電圧にインバランスを与えてもよい。電源電圧にインバランスを与えると、インバータの電圧、ひいては駆動トランジスタのゲート電圧にインバランスを導入できる。
Although the
200 PUF回路
300 セル
310 ラッチ回路
312 第1インバータ
314 第2インバータ
320 読み出し回路
330 インバランス発生器
332 可変インピーダンス回路
334 第1可変インピーダンス回路
336 第2可変インピーダンス回路
SWA 第1スイッチ
SWB 第2スイッチ
200
Claims (11)
前記第1インバータと前記第2インバータの電気的状態に、制御可能なインバランスを与えるインバランス発生器と、
を備え、
前記第1インバータおよび第2インバータはそれぞれ、EE(Enhancement Enhancement)インバータであり、負荷トランジスタのゲートが制御ラインと接続されることを特徴とするチップ固有乱数発生回路。 cross-coupled first and second inverters;
an imbalance generator that provides a controllable imbalance in the electrical states of the first inverter and the second inverter;
with
A chip-specific random number generating circuit, wherein the first inverter and the second inverter are EE (Enhancement Enhancement) inverters, and the gate of the load transistor is connected to a control line.
前記第1インバータと前記第2インバータの電気的状態に、制御可能なインバランスを与えるインバランス発生器と、
を備え、
前記第1インバータおよび第2インバータはそれぞれ、EE(Enhancement Enhancement)インバータであり、
前記インバランス発生器は、前記第1インバータおよび第2インバータそれぞれの負荷トランジスタのゲートに、個別の制御電圧を印加可能であることを特徴とするチップ固有乱数発生回路。 cross-coupled first and second inverters;
an imbalance generator that provides a controllable imbalance in the electrical states of the first inverter and the second inverter;
with
each of the first inverter and the second inverter is an EE (Enhancement Enhancement) inverter;
The chip-specific random number generator, wherein the imbalance generator can apply individual control voltages to the gates of the load transistors of the first inverter and the second inverter.
クロスカップルされた第1インバータおよび第2インバータと、 cross-coupled first and second inverters;
前記チップ固有乱数発生回路を備える半導体チップの検査工程においてアクティブとなり、前記第1インバータと前記第2インバータの電気的状態に、第1極性のインバランス、第2極性のインバランスおよびゼロのインバランスを与える、インバランス発生器と、 becomes active in an inspection process of a semiconductor chip having the chip-specific random number generation circuit, and the electrical states of the first inverter and the second inverter are imbalanced with a first polarity, imbalanced with a second polarity and zero imbalanced. an imbalance generator providing
を備え、 with
前記第1極性、前記第2極性、前記ゼロのインバランスにおいて同一の値を示さないとき、不使用とされることを特徴とするチップ固有乱数発生回路。 A chip-specific random number generating circuit which is not used when the first polarity, the second polarity, and the zero imbalance do not show the same value.
前記第1インバータの一端と固定電圧ラインの間に設けられる第1スイッチと、
前記第2インバータの一端と前記固定電圧ラインの間に設けられる第2スイッチと、
前記第1インバータの前記一端と前記第2インバータの前記一端との間に設けられた少なくともひとつのインピーダンス素子と、
を含むことを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載のチップ固有乱数発生回路。 The imbalance generator is
a first switch provided between one end of the first inverter and a fixed voltage line;
a second switch provided between one end of the second inverter and the fixed voltage line;
at least one impedance element provided between the one end of the first inverter and the one end of the second inverter;
6. The chip-specific random number generation circuit according to claim 3 , comprising:
前記所定期間において、前記第1インバータおよび前記第2インバータの負荷トランジスタのゲートには、異なる電圧が印加されることを特徴とする請求項9に記載のチップ固有乱数発生回路。 each of the first inverter and the second inverter is an EE (Enhancement Enhancement) inverter;
10. The chip-specific random number generator circuit according to claim 9, wherein different voltages are applied to the gates of the load transistors of the first inverter and the second inverter during the predetermined period.
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