TW201911747A - 奈米材料系物理不可複製功能裝置 - Google Patents

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皮埃爾 阿蘭Ｓ 奧羅克司
湯瑪士Ｅ 柯林斯三世
詹姆士Ａ 史陶比
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Abstract

提供用於物理不可複製功能(PUF)裝置之技術。一示例性PUF裝置包含一讀出積體電路(ROIC)(諸如用於焦平面陣列或其他成像應用之ROIC)；在該ROIC上的一奈米材料系PUF層；及在該PUF層上的一共用電極。該奈米材料隨機分布遍及該PUF層。一種利用一PUF裝置的方法，該PUF裝置包含耦合至一ROIC的一奈米材料系PUF層，其中該奈米材料隨機分布遍及該PUF層，該方法包含驅動在複數個位置處的該ROIC，該複數個位置耦合至該PUF層的對應複數個位置；感測在該PUF層的該等位置處的該奈米材料；及自該PUF層的該等經感測位置產生一唯一的識別金鑰。該方法可用於例如保全解密或用於識別或鑑認該PUF裝置。

Description

奈米材料系物理不可複製功能裝置
本揭示係關於奈米材料系物理不可複製功能裝置。
物理不可複製功能(PUFs)可用於打擊諸如來自偽造部件及組件之硬體竄改，及用於識別與加密。例如加入PUF裝置是一種用以確保晶片或較大型總成未經竄改或取代組件的方式。
本發明提供用於物理不可複製功能(PUF)裝置之技術。一示例性PUF裝置包含一讀出積體電路(ROIC)(諸如用於焦平面陣列或其他成像應用之ROIC)；在該ROIC上的一奈米材料系PUF層；及在該PUF層上的一共用電極。該奈米材料隨機分布遍及該PUF層。一種利用一PUF裝置的方法，該PUF裝置包含耦合至一ROIC的一奈米材料系PUF層，其中該奈米材料隨機分布遍及該PUF層，該方法包含驅動在複數個位置處的該ROIC，該複數個位置耦合至該PUF層的對應 複數個位置；感測在該PUF層的該等位置處的該奈米材料；及自該PUF層的該等經感測位置產生一唯一的識別金鑰。該方法可用於例如保全解密或用於識別或鑑認該PUF裝置。
100‧‧‧物理不可複製功能(PUF)裝置
110‧‧‧基板
120‧‧‧基底裝置
130‧‧‧讀出積體電路(ROIC)
140‧‧‧PUF層
150‧‧‧共用電極
600‧‧‧多通道ADC
610‧‧‧斜坡信號
622‧‧‧第J行輸入信號
624‧‧‧第J+1行輸入信號
626‧‧‧第J+2行輸入信號
630‧‧‧比較器
640‧‧‧數位記憶體
650‧‧‧數位計數器
662‧‧‧第J行輸出信號
664‧‧‧第J+1行輸出信號
666‧‧‧第J+2行輸出信號
700‧‧‧PUF裝置
710‧‧‧QD為基之電容器
712‧‧‧ROIC組件
714‧‧‧QD介電層
716‧‧‧ROIC電極
720‧‧‧ROIC組件
722‧‧‧開關
724‧‧‧開關
726‧‧‧放大器
728‧‧‧回饋電容器
729‧‧‧開關
730‧‧‧選用補償電容器
800‧‧‧方法
810‧‧‧形成一基底裝置
820‧‧‧形成一讀出積體電路
830‧‧‧形成一奈米材料系PUF層
840‧‧‧形成一共用電極
900‧‧‧方法
910‧‧‧驅動ROIC
920‧‧‧感測奈米材料
930‧‧‧產生唯一的識別金鑰
940‧‧‧接收挑戰
950‧‧‧計算唯一的回應
960‧‧‧供應唯一的回應
1000‧‧‧系統
1010‧‧‧處理器
1020‧‧‧儲存裝置
1030‧‧‧PUF裝置
所請求主題的實施例特徵將隨著下列的實施方式進行而變得顯而易見，其中類似的代號係指類似的部件。
圖1係依本揭示之一實施例之示例性奈米材料系物理不可複製功能(PUF)裝置剖面圖。
圖2係依本揭示之一實施例之示例性PUF裝置之由上而下概觀，其中包含設置於一讀出積體電路(ROIC)與一金屬電極間的奈米材料複合層，以便提供電容器陣列。
圖3係依本揭示之一實施例之一ROIC電容感測器陣列(x與y維度)之位置與在這些位置處由PUF裝置形成的對應電容(z維度)之示例性三維(3D)的斜視圖。
圖4係依本揭示之一實施例之在一奈米材料複合層內相鄰量子點(QDs)間凡得瓦(Van der Waals)力之交互作用簡圖。
圖5係依本揭示之一實施例之在一矽基ROIC上的平坦化塗布中之QDs示例的由上而下視圖。
圖6係依本揭示之一實施例之用於轉換PUF裝置之類比讀出為唯一的識別該PUF裝置之數位等效物之示例性平行類比對數位轉換器(ADC)之電路圖。
圖7係依本揭示之一實施例之包含一QD系電容器 及相關ROIC組件之一PUF裝置之一示例部分之電路圖。
圖8係依本揭示之一實施例之奈米材料系物理不可複製功能(PUF)裝置之示例製造方法。
圖9係依本揭示之一實施例之物理不可複製功能(PUF)裝置之示例使用方法。
圖10係依本揭示之一實施例之具一整合之PUF裝置之系統的方塊圖。
雖然下列的實施方式將隨著參考例示性的實施例的進行，但是依本揭示，其諸多替代、修改及變體將係顯而易見的。
物理不可複製功能(PUF)取決於用以提供識別、鑑認、保全加密等模式之材料隨機性(諸如本質或引入)。此隨機性之映射導致包含加密及識別等多種目的可用之唯一的識別簽章。依本揭示之實施例，PUF裝置係藉由電氣(諸如電容、電阻、阻抗等)測量而以一聚合物基質中的量子點(QDs)或其他奈米級材料(例如奈米材料)之分布之三維(3D)映射產生。
在薄膜中諸如奈米材料聚集及相分離的影響一直是礙奈米複合光子學及光伏學之發展。該聚集會在膜內產生非均質區域，因其對電子性質之不利影響而趨於限制裝置的可行尺寸。但本揭示之各種實施例藉由產生使用極少處理且與標準半導體製程諸如互補式金氧半導體(CMOS)及組件相容之PUF裝置而善用此現象。
總體概觀
依本揭示之一實施例，PUF層係旋轉塗布或滴落塗布於一表面(諸如讀出積體電路表面)上之半導體QDs與聚合物基質之混合物，接著固化及沉積一相對電極(例如鋁)。藉由將奈米材料複合層夾於一讀出積體電路(ROIC)與一金屬電極(諸如相對電極)間而產生電容器(或電阻器或其他電路)之陣列或混合物。為了便於描述，PUF層將主要描述為以一組電容器(在一介電聚合物基質中)，但本揭示不以此為限。依本揭示將顯而易見的是，在一些其他實施例中，PUF層係一組電阻器(例如在一傳導性聚合物基質中)或其他電路。在一些實施例中，PUF層作用成多功能層，諸如影像感測器(例如紅外線(IR)感測器，包含短波長IR(SWIR)感測器或近IR(NIR)感測器，或可見光感測器)。例如感測器之電氣陣列亦可用以驅動在一多功能PUF層中之一像素陣列。
由於ROIC與相對電極間的電容與板(電極)間材料的介電常數有關，故QDs(聚集)之空間分布將導致陣列上電容值之隨機分布。可利用ROIC映射電容值並用以產生用於PUF裝置的唯一的簽章(3D映射)，諸如在陣列不同點處的位置(x與y軸)及信號強度(z軸)。
電容器可以多種方式探測，諸如個別、依圖案(例如預定圖案)、垂直(諸如在行中或列間)、水平(諸如在行中或列間)等，以提供額外數據尺寸而形成用於裝置更為複雜之指紋。隨機非均質來源不一，包含聚集度(諸如聚集之尺寸分布)、沉積製程(其例如會導致不同空間分布)及膜的組成等，僅舉幾個例子。
在PUF層中的QDs聚集度可受控於各種因素，諸如表面化學與QDs及主聚合物基質之後合成處理。QDs可與存在的鈍化配體合成，該鈍化配體充當罩蓋配體。QD可以與存在的鈍化配體合成，其充當封端配體。此可係例如使QDs穩定且可溶之表面活性劑或脂肪酸分子。如此一來，此罩蓋配體亦可影響QDs的溶解度性質。罩蓋配體可包含例如三正辛基氧膦(TOPO)。
然而，當QDs結合在一起時可能發生聚集，因為罩蓋配體在彼此間插入，造成較低能量構象。可進一步藉由例如後合成絕緣過程如碰撞沉澱驅動此過程。在一實施例中，添加溶劑迫使QDs聚集，造成QDs可與反應副產物分離。
可調整沉積過程以產生最大非均質性。在一些實施例中，此係藉由不甚嚴格的過濾與混合步驟達成，導致所要的聚集奈米材料在溶液中。接著，當QDs分散於平坦化塗布中時，產生多種外型與尺寸之聚集，其中尺寸變化高於兩個數量級(例如高於一百倍)。可藉由以較多塗布材料稀釋QDs而控制聚集之相對密度。
沉積方法(諸如旋轉塗布或滴落塗布)提供相對均勻膜；但可預期因再生多個樣本中的標準變化而有小量變動。此外，處理如旋轉塗布會因旋動而產生輕微的波紋圖案，增添系統之非均質性。
固化條件亦可對膜的微結構有所影響。在一些實施例中，採用固化技術如真空固化及一種以上溫度固化(選自例如多種經測試溫度)來強化系統的非均質 性。
依本揭示之一些實施例，採用半導體QD如硒化鎘(CdSe)製QDs作為引入非均質性的介值。為了便於描述，以CdSe為主作為示例性半導體QDs材料。但其他實施例並不以此為限。例如在一些實施例中，採用其他半導體QDs，諸如II-VI族半導體(除CdSe外，例如硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、碲化汞(HgTe)等)，III-V族半導體(例如磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)，僅舉幾個例子)，或IV-VI族半導體(例如硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)等)。
在一些其他實施例中，使用其他奈米材料選項來取代半導體QDs或者除半導體QD之外還使用其他奈米材料選項。此可包含金屬奈米粒子、碳奈米管或介電材料的奈米粒子如氧化鋅(ZnO)，僅舉幾個例子。此係因為可以與半導體QDs相同或類似的方式操控這些材料的表面性質，且預期有類似性質。在尚有其他實施例中，添加不同材料至混合物中來提供另一維度之非均質性。此外，在一些實施例中，改變奈米粒子添加物組成來提供用以產生PUF裝置的額外調整參數。
本揭示的這些及其他實施例引入優於其他技術之隨機性於PUFs中。例如概言之，有兩種引入隨機性於PUFs的方式：本質及外顯。本質PUF可包含例如在製程期間引入(例如無意間)的工具標記或其他不規則性。但這些會限制功能性且使得用於確認的探測更為困難。
換言之，外顯PUF會被刻意引入系統中以提供PUF。在大部分的其他技術中，這些外顯PUF經選擇性確認。但依本揭示的一個以上的實施例，所提供的外顯PUF可以密碼方式電氣讀出(例如若組件正在基於一金鑰(諸如基於PUF的唯一的電容陣列之一唯一的識別金鑰)的預採用產生而給出正確的預期回應，則可快速判定一簡單的電氣測量)。在一些實施例中，若需進一步判定，則可採用光學或電子顯微鏡來交叉比對(例如在電氣讀出故障的情況下)。
架構及方法論
圖1係依本揭示之一實施例之示例性奈米材料系物理不可複製功能(PUF)裝置100剖面圖。PUF裝置100可形成為例如半導體製程如CMOS製程的的部份。PUF裝置100可為包含PUF之裝置堆疊。
PUF裝置100包含在一基板110上之一基底裝置120。該基板可由例如矽製成。基底裝置120可係經產生為半導體製程的部份之積體電路(IC)如微處理器或客製化邏輯電路。基底裝置120可包含諸如在CMOS製程的前端線(FEOL)中的矽製成的特徵(例如電晶體)，其藉由CMOS製程的後端線(BEOL)的金屬層互連。PUF裝置100進一步包含一讀出積體電路(ROIC)130，諸如在基底裝置120上用於焦平面陣列或其他成像應用之ROIC。ROIC 130讀出偵測器，在此情況下係在(例如)一陣列塑形結構中形成的電容偵測器，該陣列平行於基板(例如在x與y維度)，並可讀出垂直於基板(例如在z 維度)形成之電容。ROIC 130或基底裝置110可包含驅動器、輸入或輸出分接頭及其他用於驅動偵測器陣列之電路，；識別或鑑認PUF裝置100；執行保全解密等。在一些實施例中，ROIC 130係基底裝置120的部份(且例如係由FEOL與BEOL之矽與金屬層製成)。
PUF裝置100進一步包含在ROIC 130上之奈米材料系PUF層140。奈米材料可在聚合物基質中且隨機遍布於PUF層上。PUF層140可包含例如奈米材料系量子點(QDs)如半導體QDs，其係藉由旋轉塗布或滴落塗布形成且以稍微隨機配置(且因所有實際目的而不可再造)聚集，以當在ROIC 130內不同位置處測量時產生不同的可測量垂直電容。例如QDs可包含硒化鎘(CdSe)，其形成為在其最長維度上小於10奈米(nm)的奈米粒子。CdSe可形成奈米晶體半導體之核心，併同配體殼(例如TOPO)以建構量子點。PUF裝置100進一步包含在PUF層140上的共用(或相對)電極150，其用以與ROIC 130一起運作以形成透過PUF層140不同部份的電容。在PUF層140中的QDs之隨機聚集導致由ROIC 130在PUF層140不同位置處讀出之不同(且隨機配置)電容。
共用電極150可由一個以上的各種材料製成。例如在一實施例中，利用金屬(諸如鋁)形成共用電極150。在另一實施例中，一傳導性聚合物如聚噻吩(例如聚(3-己基噻吩)或簡稱P3HT)係用以形成共用電極。在尚另一實施例中，一傳導性金屬氧化物如銦摻雜氧化錫(ITO)係用以形成共用電極。
ROIC 130可構造成感測在PUF層140的複數個位置處之奈米材料，該等位置具有在PUF層140的厚度方向(例如z方向)上的對應隨機奈米材料的濃度。ROIC 130可進一步構造成自在該等位置處之奈米材料感測產生一唯一的識別金鑰(例如一數字、一串數字或其他字元、此等量之一向量等)。ROIC 130(或基底裝置120)可進一步包含一輸入通道，以接收一挑戰(例如一串數字或其他字元)；及一輸出通道，用以根據該唯一的識別金鑰供應對於該挑戰之一對應唯一的回應(例如對應的唯一的串數字或其他字元)。
在一些實施例中，ROIC 130進一步構造成感測在ROIC 130與共用電極150間形成的該等位置之對應電容，該經感測電容隨機分布在位置之間。在一個以上此類實施例中，ROIC 130包含在對應於PUF層140之該等位置之位置處彼此相交的感測電極的列與行；及一平行類比對數位轉換器(ADC)，其構造成同時轉換對應於該等列之一者或該等行之一者的所有奈米材料感測。
可利用非特殊工具或對標準CMOS協定修改來建構PUF裝置100。例如標準CMOS可處理穿過鈍化層以存取最後(例如最高)金屬的最終通孔，該金屬可作為PUF元件用的感測節點。PUF層可經例如旋轉塗布或滴落塗布於表面上，接著為相對電極(諸如鋁)之固化與沉積。
圖2係依本揭示之一實施例之示例性PUF裝置之由上而下概觀，其中包含設置於一讀出積體電路 (ROIC)與一金屬電極間的奈米材料複合層，以便提供電容器的陣列。在圖2中，PUF層形成具對應的不同電容之QDs隨機聚集圖案。在所示示例性實施例中，聚集相當小，最大者在其最長尺寸上約為70微米(μm)，且大部分小於(且一些遠小於)10μm。PUF層上的疊置視圖係ROIC電容感測器陣列，其中在x與y維度之每一者上之x與y電極間距約60-65μm。因此，x與y電極的一些相交處(電容測量點)對應於大的聚集，一些對應於小的聚集，且一些並無聚集，其等所有均將產生不同的測量電容。聚集的尺寸及圖案(及其對應的不同電容)係如此隨機、不規則且小，使得無法由已知技術再造。
在圖2的示例性PUF裝置中，藉由將奈米材料複合層(諸如在一介電聚合物基質中的QDs)夾於一矽(或矽與金屬互連件)ROIC與一金屬(諸如頂端或共用)電極間而產生電容器之陣列或矩陣。由於電容與板(電極)間材料介電常數有關，故QDs(聚集)之空間分布會導致陣列上電容值之隨機分布。在其他實施例中，可採用傳導性聚合物基質，其中QDs(聚集，可能經摻雜以提升聚合物基質的傳導率)賦予陣列上電阻(阻抗)值之隨機分布。接著可以以類似於用介電聚合物基質讀出電容的方式來讀出電阻或阻抗，產生既有技術無法再建的不同的隨機測量分布。
圖3係依本揭示之一實施例之一ROIC電容感測器陣列(x與y維度)之位置與在這些位置處由PUF裝置形成的對應電容(z維度)之示例性三維(3D)斜視 圖。電容的大小(z維度)係以不同對應高度之分段方形金字塔例示(相鄰的此等金字塔有時併入一個類金字塔結構中)。電容的圖案係高度隨機且可用以產生識別數或序列、加密金鑰等，其對於該特定PUF層係唯一的且無法在其他PUF層中再造。
在進一步細節中，可將電容值映射出並用以產生裝置用之一唯一的簽章(3D映射或識別金鑰)，其包含位置(x與y維度)及信號強度(z維度)。可例如個別、依圖案(例如預定圖案)、按行或按列探測電容器，以提供額外資料維度而形成用於裝置更為複雜之指紋。
圖4係依本揭示之一實施例之在一奈米材料複合層內相鄰量子點(QDs)間凡得瓦力之交互作用簡圖。如前述，QDs可包含會影響量子點(QDs)聚集機制的罩蓋配體。如圖4所示，當QDs結合在一起時可能發生聚集，因為罩蓋配體在彼此間插入，造成較低能量構象。配體係透過凡得瓦交互作用固定在一起，導致奈米材料聚集。
圖5係依本揭示之一實施例之在一矽基ROIC上的平坦化塗布中之QDs示例的由上而下視圖。此處的QDs聚集在矽(或矽基裝置如下方具矽基結構且上方藉由金屬層互連之IC)上平坦化塗布中。其他實施例可由包含矽與否均可之其他半導體材料，諸如鎵或III-V族材料如銦鎵砷化物(InGaAs)實行。在任何此類情況下，可以實現任何適當尺寸或尺寸分布之聚集均以提供非均質性，使得沒有兩組此類QD聚集相同(且延伸言 之，沒有兩個電氣電容之ROIC讀數相同)。例如在圖5中，尺寸橫跨超過兩個數量級之QD聚集會提供非均質性。
有數種可用以探詢電容器矩陣之技術，可用以判定在建構區分PUF彼此之唯一的(且識別)測量組合之對應感測器之陣列中的電容值。例如在一些實施例中，可個別定址元件(例如感測器)，且可利用I=C(dV/dt)之技術判定低頻電容圖，例如I代表電流(隨時間而變)，V代表電壓(隨時間而變)，C代表電容，及dV/dt代表電壓對時間的微分。
在其他實施例中，可利用射頻(RF)技術添加映射PUF矩陣之頻率維度。例如在一個實施例中，RF係用以探詢PUF層。例如在PUF層中的電容器可係濾波器中的元件，且在被以RF信號探測之天線利用PUF層作為濾波器時回報一唯一的回應，經由PUF層的不同電容器傳送經探測RF信號以產生唯一的回應。
圖6係依本揭示之一實施例之用於轉換PUF裝置之類比讀出為唯一的識別該PUF裝置之數位等效物之示例性平行類比對數位轉換器(ADC)600之電路圖。在圖6之ADC 600中，ROIC陣列行同時平行讀出一列。此ROIC電路之一示例應用係成像感測器，諸如焦平面列應用。在另一實施例中，ROIC陣列列同時平行讀出一行，ADC被構造成使ROIC陣列列同時平行處理一行。
在進一步細節中，多通道ADC 600被設計於晶片(例如PUF裝置)中，以接收PUF映射用之經處理之 取樣電容信號。為了卸載該映射，針對每一列平行讀出ROIC陣列行的每一者(例如平行讀出行1、行2、...、行J 600、行J+1 624、行J+2 626...)用之輸出信號(例如14位元輸出信號)，且以低電壓差動信號(LVDS)緩衝器(例如比較器630)驅離晶片。例如ADC 600可係大量平行單斜率ADC 600，用於同時讀出來自ROIC陣列之整列資料。在一個實施例中，ROIC陣列的每一行具有由一個別行ADC(包含一比較器630與數位記憶體640)讀出之其列信號之一者。每一行ADC包含一敏感高增益輸入級630，以作為輸入信號(例如行J輸入信號622、行J+1輸入信號624、行J+2輸入信號626)與共用線性斜坡信號610間的比較器。斜坡信號610始於一最小電容直(諸如最小類比值)及增量(例如線性或步階式增量)至一最大電容值(諸如最大類比值)。
同時間(例如同時、同步等)，一共用計數器輸入650自0(例如最低數位值)增量，且增量(例如線性增量，諸如依序)至最大值(例如最大數位值)。在一個實施例中，共用計數器輸入係為無符號之14位元計數，其與共用斜坡信號610同步以1自0增量至214-1。當斜坡信號610跨越一特定行輸入信號用之輸入信號位準時，對應的比較器630觸發對應數位記憶體640中至多達14個閂鎖，以擷取事件的時間碼(例如共用計數器輸入650的目前值)。
換言之，時間碼(例如數位信號)係由數位計數器650與斜坡信號610同步產生。接著讀出該等閂鎖 以完成ADC轉換週期(例如行J輸入信號622(類比)經轉換為對應的行J輸出信號662(數位)，且類似地，行J+1輸入信號624經轉換為對應的行J+1輸出信號664，行J+2輸入信號626經轉換為對應的行J+2輸出信號666等)。許多此等ADC元件均可平行操作，以產生一真實的多通道ADC 600。在一個實施例中，轉換時間(例如斜坡信號610增量經過所有類比信號值及計數器輸入650增量經過所有數位信號值的時間)係10微秒(μs)，其提供100千赫(KHz)取樣率。
圖7係依本揭示之一實施例之包含一QD系電容器710及相關ROIC組件720之一PUF裝置之一示例部分700之電路圖。QD電容器710包含一共用電極712、一ROIC電極716，及一QD介電層714，其隔離共用電極712與ROIC電極716。QD介電層714可包含複合材料，其包含聚集的QDs及聚合物基質。可提供一選用補償電容器730，其例如藉由取消基底電容測量(例如在QD介電層714中無QD聚集存在處獲得之電容測量)而改善訊雜比。
ROIC組件720包含開關722與724(例如由相反信號驅動)，以分別控制起始(諸如充電)QD電容器710(及若存在，補償電容器730)及讀出QD電容器(及若存在，補償電容器730)；及一放大器726(諸如電容性互阻抗放大器)，其具有一相關回饋電容器728與開關729。例如電容性互阻抗放大器726可放大QD電容器710與補償電容器730間接面電荷。
圖8係依本揭示之一實施例之物理不可複製功能(PUF)裝置之示例製造方法800。圖9係依本揭示之一實施例之物理不可複製功能(PUF)裝置之示例使用方法900。雖然此處所述方法可能看起來就其操作具特定順序，但其他實施例無需以此為限。因此，操作順序可隨實施例而變，如此揭示指引下清楚可見。可利用例如圖1-7之結構施行圖8-9之方法。
方法800包含在一基板(諸如基板110)上形成810一基底裝置(諸如基底裝置120)，在該基底裝置上形成820一讀出積體電路(ROIC，諸如ROIC 130)，在該ROIC上形成830一奈米材料系PUF層(諸如PUF層140)，且在該PUF層上形成840一共用電極(諸如共用電極150)。奈米材料隨機分布遍及PUF層(例如無顯著圖案或順序)。在一個以上實施例中，PUF層之形成包含聚集量子點(QDs)作為PUF層用之奈米材料。在一個此類實施例中，QDs之聚集包含聚集QDs使得經聚集QDs的尺寸隨機分布跨越PUF層且變化橫跨超過兩個數量級(例如超過100倍，諸如體積、表面積、剖面積或最長線性維度超過100倍)。在一個實施例中，PUF層的形成包含旋轉塗布奈米材料於ROIC上的聚合物基質中。
在一些實施例中，方法800進一步利用半導體製程形成唯一的識別的半導體裝置，以製造依方法800之PUF裝置，其中基底裝置係半導體裝置。ROIC被構造成感測在PUF層的複數個位置處之奈米材料並自在該等位置處之奈米材料之感測產生一唯一的識別金鑰。在 PUF層厚度方向上，該等位置具有對應的奈米材料隨機濃度(例如在各位置間無顯著相關性)。在一個此類實施例中，ROIC的形成包含自半導體製程之最高金屬層形成感測電極(諸如建構感測電極陣列之列或行電極)。在一個此類實施例中，半導體製程係一互補式金氧半導體(CMOS)製程。
方法900指向利用一PUF裝置(諸如PUF裝置100)。該PUF裝置包含耦合至一讀出積體電路(ROIC，諸如ROIC 130)之一奈米材料系PUF層(諸如PUF層140)。奈米材料隨機分布遍及PUF層。該方法包含在耦合至PUF層之對應複數個位置之複數個位置處(諸如彼此相交之列與行感測電極之網格)驅動910該ROIC，感測920在PUF層之該等位置處之奈米材料，且自PUF層之該等PUF層的經感測位置產生930一唯一的識別金鑰。在一些實施例中，奈米材料之感測包含感測一共用電極與該ROIC之該等對應位置間形成之電容，PUF層之該等位置係在該共用電極與該ROIC之該等對應位置間，且經感測的該等電容係在PUF層之該等位置間隨機分布(諸如電容間無顯著相關性)。
在一個此類實施例中，ROIC包含在該ROIC之該等對應位置處彼此相交之感測電極之列與行，及一平行類比對數位轉換器(ADC)，其構造成同時轉換對應於該等列之一者或該等行之一者的電容，且利用該平行ADC同時轉換同時經感測的該等之電容。
在方法900之一實施例中，提供依方法900 之利用PUF裝置之解密方法。PUF裝置係信號處理裝置之部份，其構造成自唯一的識別金鑰產生一私密金鑰(諸如僅為信號處理裝置知悉之一私密加密金鑰)，且自該經產生的私密金鑰產生一公開金鑰(諸如信號處理裝置以外之任意數量裝置知悉之一公開加密金鑰)。該方法包含利用該私密金鑰解密經該公開金鑰加密之一訊息(諸如由信號處理裝置以外但知悉該公開加密金鑰的裝置供應之訊息)。
在方法900之另一實施例中，提供提供依方法900之利用PUF裝置之識別方法。PUF裝置包含一輸入通道(例如軟體或硬體通道，諸如一組輸入分接頭)，用以接收一挑戰(例如一數或串，其可包含一預定數或串)；及一輸出通道(例如軟體或硬體通道，諸如一組輸出分接頭)，用以根據該唯一的識別金鑰供應對於該挑戰之一對應唯一的回應(諸如一加密數或串，其可包含一預定加密數或串)。該方法包含透過該輸入通道接收940該挑戰，利用該唯一的識別金鑰自該挑戰計算950該唯一的回應，且透過該輸出通道供應960該唯一的回應。
圖10係依本揭示之一實施例之具一整合之PUF裝置1030之系統1000的方塊圖。系統1000包含一處理器1010(諸如微處理器、場可程式化閘陣列(FPGA)、複雜可程式化邏輯裝置(CPLD)、系統單晶片(SOC)等)，用於執行計算任務，及一儲存裝置1020(諸如磁碟驅動器、固態驅動器、快閃驅動器、可移除式媒體驅動器等)，用於儲存資料、指令等，及一PUF裝置1030，用於提供 唯一的識別、鑑認、解密或其他PUF應用。例如系統1000可用於施行上述方法900。在一個實施例中，儲存裝置1020包含對可由處理器1010提出至PUF裝置1030之挑戰的回應，PUF裝置1030將對該挑戰提供唯一的回應。在另一實施例中，PUF裝置1030產生一唯一的私密解密金鑰並供應一對應的公開加密金鑰至處理器1010，其繼而供應該公開金鑰至欲與處理器1010進行保全通信的外部裝置。外部裝置利用該公開金鑰加密其資料並將其資料供應至處理器1010，處理器1010接著利用由PUF裝置1030產生的唯一的私密金鑰，將資料轉發至PUF裝置1030用於保全解密。
在一些實施例中，量子點系物理不可複製功能(PUFs)係用於組件識別、加密及抗竄改應用。在一些實施例中，量子點(QDs)係供PUF使用，測量QDs之電容變化，在低成本、簡單的CMOS相容處理下，基於具隨機局部化電容變化之QDs的2D空間分布而利用多維度PUF方法。此等PUFs係識別偽造部件或經竄改部件並確保供應鏈完整性之關鍵，因為經妥協的電子組件可能導致工業或情報間諜活動，不可靠的系統，及甚至潛在壽年減損。在一些其他實施例中電容可耦合至環形振盪器(ROs)，使得所得RO頻率相依於奈米材料系電容。在此方式中，可用針對RO為基之PUFs發展的大部分韌體實現數位PUF。
進一步示例性實施例
下列示例係關於進一步實施例，自其中將清 楚多種排列與配置。
示例1係一種物理不可複製功能(PUF)裝置，其包含一讀出積體電路(ROIC)；在該ROIC上的一奈米材料系PUF層，該奈米材料隨機分布遍及該PUF層；及在該PUF層上的一共用電極。在一些實施例中，奈米材料包含奈米粒子。在一些實施例中，奈米材料包含聚集量子點(QDs)。在一些此類實施例中，奈米材料包含硒化鎘(CdSe)、硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、碲化汞(HgTe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)或碲化鉛(PbTe)。在一些此類實施例中，奈米材料進一步包括金屬奈米粒子、碳奈米管或介電材料的奈米粒子。在一些實施例中，ROIC構造成感測在該PUF層的複數個位置處的奈米材料，該等位置在該PUF層的厚度方向上具有該奈米材料的對應隨機濃度。在一些實施例中，ROIC進一步構造成自在該等位置處感測該奈米材料而產生一唯一的識別金鑰。在一些此類實施例中，PUF裝置進一步包括一輸入通道，用以接收一挑戰；及一輸出通道，用以根據該唯一的識別金鑰而供應對該挑戰的一對應唯一的回應。在一些此類實施例中，ROIC藉由感測在該ROIC與該共用電極間形成的該等位置的對應電容、電阻或阻抗而感測該奈米材料，經感測的該等電容、電阻或阻抗在該等位置間隨機分布。在一些實施例中，ROIC包括在對應於該PUF層的該等位置的位置處彼此相交的感測電極的列與行；及一平行類比對數位轉換器(ADC)，其構造成同時轉換對 應於該等列之一者或該等行之一者的所有奈米材料感測。
示例2係一種製造一物理不可複製功能(PUF)裝置的方法，該方法包括：形成一讀出積體電路(ROIC)；在該ROIC上形成一奈米材料系PUF層，該奈米材料隨機分布遍及該PUF層；及在該PUF層上形成一共用電極。在一些實施例中，該PUF層的該形成包括聚集量子點(QDs)作為該PUF層用的該奈米材料。在一些實施例中，QDs之聚集包括聚集該等QDs使得聚集的該等QDs的尺寸在該PUF層中係隨機分布且尺寸變動橫跨超過兩個數量級。在一些實施例中，PUF層的形成包括在該ROIC上的一聚合物基質中旋轉塗布該奈米材料。在一些實施例中，一種形成唯一的識別的半導體裝置的方法，該方法包括示例2的方法，該ROIC係構造成：感測在該PUF層的複數個位置處的奈米材料，該等位置在該PUF層的厚度方向上具有該奈米材料的對應隨機濃度；及自在該等位置處的該奈米材料的該感測而產生一唯一的識別金鑰，其中該ROIC的形成包括自半導體製程的一最高金屬層形成感測電極。
示例3係一種利用一物理不可複製功能(PUF)裝置的方法，該PUF裝置包括耦合至一讀出積體電路(ROIC)的一奈米材料系PUF層，該奈米材料隨機分布遍及該PUF層，該方法包括：驅動在複數個位置處的該ROIC，該複數個位置耦合至該PUF層的對應複數個位置；感測在該PUF層的該等位置處的該奈米材料；及自 該PUF層的該等經感測位置產生一唯一的識別金鑰。在一些實施例中，該奈米材料的該感測包括感測在一共用電極與該ROIC的對應該等位置間形成的電容、電阻或阻抗；該PUF層的該等位置係在該共用電極與該ROIC的該等對應位置間；及經感測的該等電容、電阻或阻抗在該PUF層的該等位置間隨機分布。在一些實施例中，該ROIC包括在該ROIC的該等對應位置處彼此相交的感測電極的列與行；及一平行類比對數位轉換器(ADC)，其構造成同時轉換對應於該等列之一者或該等行之一者的所有經感測的該等電容、電阻或阻抗，該等電容、電阻或阻抗的該感測進一步包括同時感測對應於該等列之一者或該等行之一者的經感測的該等電容、電阻或阻抗，且利用該平行ADC同時轉換同時經感測的該等電容、電阻或阻抗。在一些實施例中，提供一種依照如示例3之方法使用PUF裝置進行解密的方法，該PUF裝置係一信號處理裝置的部份，該信號處理裝置構造成自唯一的識別金鑰產生一私密金鑰，且自經產生的該私密金鑰產生一公開金鑰，該方法包括利用該私密金鑰解密以該公開金鑰加密的一訊息。在一些實施例中，提供一種依照如示例3之方法使用PUF裝置進行識別的方法，該PUF裝置包括一輸入通道，用以接收一挑戰；及一輸出通道，用以根據唯一的識別金鑰而供應對該挑戰的一對應唯一的回應，該方法包括經由該輸入通道接收該挑戰；利用該唯一的識別金鑰自該挑戰計算該唯一的回應；及經由該輸出通道供應該唯一的回應。
此處已採用之術語及表達係作為描述之術語而無限制之意，且無意在使用此類術語及表達時排除所示與所述(或其部份)之特徵之任何等效物，且認知可在申請專利範圍之範疇內進行各種修改。因此，申請專利範圍係為涵蓋所有此類等效物。此外，已在此描述各種特徵、態樣及實施例。本領域中熟悉此技術者將知悉，該等特徵、態樣及實施例易於彼此組合及變動與修改。因此，應將本揭示視為涵括此類組合、變動與修改。欲使本揭示之範疇不限於此詳述，而係於所附申請專利範圍。為請求對此申請案之優先權之將來申請之申請案，可以不同方式請求所揭示之主題，且可隨著此處各種揭示或其他呈現而一般包涵任何一個以上的元件組。

Claims (20)

  1. 一種物理不可複製功能(PUF)裝置，其包括：一讀出積體電路(ROIC)；在該ROIC上的一奈米材料系PUF層，該奈米材料隨機分布遍及該PUF層；及在該PUF層上的一共用電極。
  2. 如請求項1之PUF裝置，其中該奈米材料包括奈米粒子。
  3. 如請求項1之PUF裝置，其中該奈米材料包括聚集量子點(QDs)。
  4. 如請求項3之PUF裝置，其中該奈米材料包括硒化鎘(CdSe)、硫化鎘(CdS)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、碲化汞(HgTe)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)或碲化鉛(PbTe)。
  5. 如請求項3之PUF裝置，其中該奈米材料進一步包括金屬奈米粒子、碳奈米管或介電材料的奈米粒子。
  6. 如請求項1之PUF裝置，其中該ROIC係構造成感測在該PUF層的複數個位置處的奈米材料，該等位置在該PUF層的厚度方向上具有該奈米材料的對應隨機濃度。
  7. 如請求項6之PUF裝置，其中該ROIC進一步構造成自在該等位置處感測該奈米材料而產生一唯一的識別金鑰。
  8. 如請求項7之PUF裝置，其進一步包括一輸入通道，用以接收一挑戰；及一輸出通道，用以根據該唯一的 識別金鑰而供應對該挑戰的一對應唯一的回應。
  9. 如請求項6之PUF裝置，其中該ROIC藉由感測在該ROIC與該共用電極間形成的該等位置的對應電容、電阻或阻抗而感測該奈米材料，經感測的該等電容、電阻或阻抗在該等位置間隨機分布。
  10. 如請求項6之PUF裝置，其中該ROIC包括在對應於該PUF層的該等位置的位置處彼此相交的感測電極的列與行；及一平行類比對數位轉換器(ADC)，其構造成同時轉換對應於該等列之一者或該等行之一者的所有奈米材料感測。
  11. 一種製造一物理不可複製功能(PUF)裝置的方法，該方法包括：形成一讀出積體電路(ROIC)；在該ROIC上形成一奈米材料系PUF層，該奈米材料隨機分布遍及該PUF層；及在該PUF層上形成一共用電極。
  12. 如請求項11之方法，其中該PUF層的該形成包括聚集量子點(QDs)作為該PUF層用的該奈米材料。
  13. 如請求項12之方法，其中該等QDs之該聚集包括聚集該等QDs使得聚集的該等QDs的尺寸係在該PUF層中隨機分布且尺寸變動橫跨超過兩個數量級。
  14. 如請求項11之方法，其中該PUF層的該形成包括在該ROIC上的一聚合物基質中旋轉塗布該奈米材料。
  15. 一種形成唯一的識別的半導體裝置的方法，該方法包括如請求項11的方法，該ROIC係構造成： 感測在該PUF層的複數個位置處的奈米材料，該等位置在該PUF層的厚度方向上具有該奈米材料的對應隨機濃度；及自在該等位置處的該奈米材料的該感測而產生一唯一的識別金鑰，其中該ROIC的形成包括自半導體製程的一最高金屬層形成感測電極。
  16. 一種利用一物理不可複製功能(PUF)裝置的方法，該PUF裝置包括耦合至一讀出積體電路(ROIC)的一奈米材料系PUF層，該奈米材料隨機分布遍及該PUF層，該方法包括：驅動在複數個位置處的該ROIC，該複數個位置耦合至該PUF層的對應複數個位置；感測在該PUF層的該等位置處的該奈米材料；及自該PUF層的該等經感測位置產生一唯一的識別金鑰。
  17. 如請求項16之方法，其中該奈米材料的該感測包括感測在一共用電極與該ROIC的對應該等位置間形成的電容、電阻或阻抗；該PUF層的該等位置係在該共用電極與該ROIC的該等對應位置間；及經感測的該等電容、電阻或阻抗在該PUF層的該等位置間隨機分布。
  18. 如請求項17之方法，其中該ROIC包括在該ROIC的該等對應位置處彼此相交的感測電極的列與行；及一 平行類比對數位轉換器(ADC)，其構造成同時轉換對應於該等列之一者或該等行之一者的所有經感測的該等電容、電阻或阻抗，該等電容、電阻或阻抗的該感測進一步包括同時感測對應於該等列之一者或該等行之一者的經感測的該等電容、電阻或阻抗，且利用該平行ADC同時轉換同時經感測的該等電容、電阻或阻抗。
  19. 一種依照如請求項16之方法使用PUF裝置進行解密的方法，該PUF裝置係一信號處理裝置的部份，該信號處理裝置構造成自唯一的識別金鑰產生一私密金鑰，且自經產生的該私密金鑰產生一公開金鑰，該方法包括利用該私密金鑰解密以該公開金鑰加密的一訊息。
  20. 一種依照如請求項16之方法使用PUF裝置進行識別的方法，該PUF裝置包括一輸入通道，用以接收一挑戰；及一輸出通道，用以根據唯一的識別金鑰而供應對該挑戰的一對應唯一的回應，該方法包括經由該輸入通道接收該挑戰；利用該唯一的識別金鑰自該挑戰計算該唯一的回應；及經由該輸出通道供應該唯一的回應。
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