一种基于FeFET结构的真随机数发生器、制备及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FeFET结构的真随机数发生器、制备及使用方法。制造该器件首先在硅衬底上刻蚀形成沟道区域，沉积多晶硅，形成多晶硅沟道；其次分别沉积氧化层、铁电层和栅电极层，通过光刻和刻蚀形成铁电场效应晶体管的栅极结构；最后在栅极两侧形成铁电场效应晶体管的源漏区域，形成FeFET器件，完成真随机数发生器的制备。真随机数发生器通过外围电路测量FeFET器件的导通电阻作为真随机数。本发明专利技术利用FeFET的铁电层在极化翻转过程中发生翻转的第一个铁电畴的位置和电压具有随机性，在晶体管性能上的表现为阈值电压的随机变化，产生随机变化的导通电阻，实现真随机数的发生。该真随机数发生器结构简单、易于集成、功耗低且具有CMOS兼容性。具有CMOS兼容性。具有CMOS兼容性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FeFET结构的真随机数发生器、制备及使用方法


[0001]本专利技术涉及信息安全
，尤其涉及一种基于FeFET结构的真随机数发生器、制备及使用方法。

技术介绍

[0002]随机数是在专门的随机试验中产生的结果，随机数在密钥生成、信息安全系统等领域中广泛应用，高性能的随机数发生器能有效保护安全系统免受攻击。随机数可以分为真随机数和伪随机数两大类，伪随机数只有随机性，在本质上伪随机数是可以被计算得到的，因此伪随机数适用于对安全性能要求不高的场景，通过软件算法产生的随机数均为伪随机数。与伪随机数不同，真随机数是不能通过计算的方法得到的，具有随机性、不可预测性和不可重现性，真随机数有效提高了信息安全系统的安全性，更具应用前景，一般通过物理方法产生。对于真随机数发生器一般有以下要求：1、产生的真随机数序列具有足够的长度，加强真随机数的不可预测性；2、产生的真随机数序列具有足够大的熵值，提高真随机数的随机性；3、真随机数发生器的体积小，能够应用于各种场景。
[0003]目前的真随机数发生器一般是运用放大器结构产生真随机数序列，其原理是通过测量外部噪音，进行数字化处理，得到真随机数序列，该类真随机数发生器具有以下缺点：1、极易受外界信号干扰，导致产生的真随机序列的熵值波动性增大；2、尺寸较大，不适用于高度集成的应用场景；3、功耗较大，该类真随机数发生器结构中的放大器和比较器会产生较大的功耗。因此，需要研发新型的真随机数发生器，克服当前传统的运用放大器结构的真随机数发生器。
[0004]本专利技术提出的基于FeFET结构的真随机数发生器，利用FeFET的铁电层在极化翻转过程中发生翻转的第一个铁电畴的位置和电压具有随机性，在晶体管性能上的表现为阈值电压的随机变化，产生随机变化的导通电阻，以导通电阻值作为真随机数，实现真随机数的发生，是突破传统的运用放大器结构的真随机数发生器性能瓶颈的可行性方案之一，具有一系列优点。首先，基于FeFET结构的真随机数发生器是基于铁电材料的物理性能实现真随机数的发生，因此受外界信号干扰较少，具有稳定的熵值，能产生高质量的真随机数。其次，基于FeFET结构的真随机数发生器与外围的电学器件具有很高的集成度，可以形成片上系统，有利于实现真随机数发生器的小型化。此外，基于FeFET结构的真随机数发生器的核心器件仅为一个FeFET器件，因此产生的功耗较低，实现低能耗的真随机数发生器。且基于FeFET结构的真随机数发生器具有CMOS兼容性，应用场景更加广泛。综上所述，本专利技术提出的基于FeFET结构的真随机数发生器具有很好的应用前景。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有真随机数发生器的不足，提供一种基于FeFET结构的真随机数发生器、制备及使用方法，该真随机数发生器具有熵值大且稳定、小型化、低功耗和CMOS兼容性等优势，在密钥生成、信息安全系统等多个领域具有广阔的应用前景。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种基于FeFET结构的真随机数发生器，该真随机数发生器包括硅衬底上的氧化层、铁电层和栅电极层，所述氧化层底下设置有多晶硅沟道，所述氧化层两侧设置有源极和漏极。
[0008]进一步地，所述氧化层材料为氧化硅、氧化铝或氧化铪。
[0009]进一步地，所述铁电层材料为氧化铪锆、钛酸铋或锆钛酸铅。
[0010]进一步地，所述栅电极层材料为铝、镍、金或钨。
[0011]进一步地，所述源极和漏极为与硅衬底形成欧姆接触的电极材料；所述电极材料为铝、镍、金或钨。
[0012]进一步地，所述真随机数发生器利用FeFET的铁电层在极化翻转过程中发生翻转的第一个铁电畴的位置和电压具有随机性，在晶体管性能上的表现为阈值电压的随机变化，形成随机变化的导通电阻，产生真随机数。
[0013]第二方面，本专利技术提供一种基于FeFET结构的真随机数发生器制备方法，该器件的制备方法包括如下步骤：
[0014](1)在硅衬底表面刻蚀形成沟道区域，沉积多晶硅填充沟道区域，平坦化沟道区域，形成多晶硅沟道结构；
[0015](2)在硅衬底表面沉积氧化层、铁电层和栅电极层，通过刻蚀氧化层、铁电层和栅电极层形成栅极结构；
[0016](3)在栅极结构两侧的硅衬底上掺杂形成源漏结构；
[0017](4)在源漏图形区沉积金属形成接触电极，最终形成基于FeFET结构的真随机数发生器。
[0018]进一步地，所述步骤(1)中硅表面刻蚀形成沟道区域的方法为等离子体刻蚀或湿法刻蚀。
[0019]进一步地，所述步骤(1)中沉积多晶硅填充沟道区域的方法为化学气相沉积。
[0020]进一步地，所述步骤(1)中平坦化沟道区域的方法为化学机械抛光或等离子体刻蚀。
[0021]进一步地，所述步骤(2)中在硅衬底表面沉积氧化层的方法为热氧化、原子层沉积或溅射。
[0022]进一步地，所述步骤(2)中沉积铁电层的方法为原子层沉积、溶胶凝胶法或脉冲激光沉积。
[0023]进一步地，所述步骤(2)中沉积栅电极层的方法为溅射、原子层沉积或蒸镀。
[0024]进一步地，所述步骤(2)中刻蚀氧化层、铁电层和栅电极层的方法为反应离子刻蚀。
[0025]进一步地，所述步骤(3)中掺杂形成源漏结构的方法为热扩散或离子注入；如硅衬底为p型，则掺杂n型杂质，如硅衬底为n型，则掺杂p型杂质。
[0026]进一步地，所述步骤(4)中沉积源漏图形区的接触电极的方法为溅射、原子层沉积或蒸镀。
[0027]第三方面，本专利技术提供一种基于FeFET结构的真随机数发生器使用方法，在栅极施加电压，漏极施加恒定电压，源极接地，测量漏极电流随栅极电压的变化曲线，计算某栅压
下的电阻为真随机数，实现真随机数的发生。
[0028]进一步地，所述栅极施加电压为使铁电材料实现极化翻转的电压范围，所述漏极施加恒定电压为使FeFET工作在线性区的电压，取使FeFET工作在线性关系区的栅压下的导通电阻作为真随机数。
[0029]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：
[0030]本专利技术提供一种基于FeFET结构的真随机数发生器、制备及使用方法，该真随机数发生器是基于铁电材料的物理性能实现真随机数的发生，因此受外界信号干扰较少，具有稳定的熵值。其次该真随机数发生器与外围的电学器件具有很高的集成度，有利于实现真随机数发生器的小型化，此外该真随机数发生器功耗低，且具有CMOS兼容性，应用场景广泛。
附图说明
[0031]图1中(a)为在硅衬底上刻蚀形成沟道区域示意图；(b)为在硅衬底上沉积多晶硅示意图；(c)为平坦化处理后的多晶硅沟道示意图；
[0032]图2中(a)为在硅衬底上生长氧化层示意图；(b)为在氧化层上生长铁电层示意图；(c)为在铁电层上生长栅电极层示意图；
[0033]图3中(a)为刻蚀FeFET的栅极图形示意图；(b)为制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FeFET结构的真随机数发生器，其特征在于，该真随机数发生器包括硅衬底上的氧化层、铁电层和栅电极层，所述氧化层底下设置有多晶硅沟道，所述氧化层两侧设置有源极和漏极。2.根据权利要求1所述的一种基于FeFET结构的真随机数发生器，其特征在于，所述氧化层材料为氧化硅、氧化铝或氧化铪。3.根据权利要求1所述的一种基于FeFET结构的真随机数发生器，其特征在于，所述铁电层材料为氧化铪锆、钛酸铋或锆钛酸铅。4.根据权利要求1所述的一种基于FeFET结构的真随机数发生器，其特征在于，所述栅电极层材料为铝、镍、金或钨。5.根据权利要求1所述的一种基于FeFET结构的真随机数发生器，其特征在于，所述源极和漏极为与硅衬底形成欧姆接触的电极材料；所述电极材料为铝、镍、金或钨。6.根据权利要求1所述的一种基于FeFET结构的真随机数发生器，其特征在于，该真随机数发生器利用FeFET的铁电层在极化翻转过程中发生翻转的第一个铁电畴的位置和电压具有随机性，在晶体管性能上的表现为阈值电压的随机变化，形成随机变...

【专利技术属性】
技术研发人员：张睿，郑嘉麒，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：