電壓控制的納米磁性隨機數(shù)發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于電壓控制的納米磁性隨機數(shù)發(fā)生器的裝置。所述裝置包括：自由鐵磁層；位于相對于所述自由鐵磁層的非共線方向上的固定鐵磁層；以及耦合至所述自由鐵磁層的第一端子，所述第一端子用于向所述自由鐵磁層提供偏置電壓。本發(fā)明還描述了一種集成電路，其包括：隨機數(shù)發(fā)生器，其包括具有非共線設置的自由鐵磁層和固定鐵磁層的磁性隧道結(MTJ)；以及用于向所述自由鐵磁層提供可調節(jié)的偏置電壓的電路，所述電路用于控制由所述隨機數(shù)發(fā)生器產生的電流的方差。
【專利說明】電壓控制的納米磁性隨機數(shù)發(fā)生器

【背景技術】
[0001] 片上微型嵌入式隨機數(shù)發(fā)生器（RNG)可以使消費者和企業(yè)應用能夠使用大范圍 的安全特征。然而，主要的偽隨機數(shù)發(fā)生器是基于軟件的或是由網絡資源（例如，美國國家 標準及技術研究所（NIST))供應的?；谲浖碾S機數(shù)發(fā)生器受到運行隨機數(shù)發(fā)生器所需 的增大的功率和芯片面積的影響。用于RNG的標準化算法也容易出現(xiàn)安全威脅。軟件算法 可以產生近似的隨機數(shù)序列，但是其質量有限，如通過已知的隨機性測試所測量的。
[0002] 現(xiàn)有的基于磁性隧道結（MTJ)的隨機數(shù)發(fā)生器受若干缺點的影響。例如，已知的 基于MTJ的RNG不能產生高斯分布的噪聲，該高斯分布的噪聲是用于通信加密的最常用的 處理之一。已知的基于MTJ的RNG的另一缺點是其不能控制隨機數(shù)產生的過程以使變量均 值和方差動態(tài)改變。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003] 根據(jù)以下給出的【具體實施方式】并且根據(jù)本公開內容的各種實施例的附圖，將更全 面地理解本公開內容的實施例，然而，附圖不應該被理解為將本公開內容限制為具體實施 例，而是僅出于解釋和理解的目的。
[0004] 圖IA示出了基于MTJ的RNG。
[0005] 圖IB示出了顯示來自MTJ的感測的隨機電流和正態(tài)噪聲分布的曲線圖。
[0006] 圖2示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的非共線MTJ器件。
[0007] 圖3示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的非共線MTJ器件的頂視圖。
[0008] 圖4A示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的顯示相對于非共線MTJ器件的磁勢 壘的磁角的方差的曲線圖。
[0009] 圖4B示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的相對于為非共線MTJ器件所施加的 電壓的磁勢壘的變化。
[0010] 圖5A示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的顯示非共線MTJ器件的噪聲電流概 率密度的曲線圖。
[0011] 圖5B示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的顯示非共線MTJ器件的累積概率與 感測電流的關系的曲線圖。
[0012] 圖6A-6B示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的顯示通過利用為非共線MTJ器件 施加的電壓改變磁勢壘來控制磁噪聲的曲線圖。
[0013] 圖7A-7B示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的顯示通過向非共線MTJ施加高電 壓來重置非共線MTJ的情況的曲線圖。
[0014] 圖8示出了根據(jù)本公開內容的一個實施例的顯示由非共線MTJ產生的電流的功率 譜密度的曲線圖。
[0015] 圖9是根據(jù)本公開內容的一個實施例的用于產生隨機模擬/數(shù)字信號并且用于向 非共線MTJ施加偏置電壓的電路。
[0016] 圖10是根據(jù)本公開內容的一個實施例的形成非共線MTJ器件的方法的流程圖。
[0017] 圖11是根據(jù)本公開內容的一個實施例的具有包含非共線MTJ的隨機數(shù)發(fā)生器的 智能設備或計算機系統(tǒng)或SoC(片上系統(tǒng)）。

【具體實施方式】
[0018] 實施例描述了一種非共線（例如，正交的）堆疊的平面內磁隧道結（MTJ)器件，其 具有作為可控隨機數(shù)發(fā)生器的電壓依賴磁勢魚。在一個實施例中，與傳統(tǒng)MTJ器件的噪聲 的非鐘形分布相比，隨機數(shù)發(fā)生器提供了噪聲的鐘形正態(tài)高斯分布。在一個實施例中，MTJ 自由鐵磁層和固定鐵磁層位于相對于彼此的非共線位置中，以產生MTJ感測電流的正態(tài)分 布。在一個實施例中，提供電路來產生偏置電壓以控制MTJ自由鐵磁層的磁勢魚，以使產生 的MTJ電流的方差能夠被控制。在一個實施例中，提供電路來產生偏置電壓以降低MTJ的 磁勢壘，以使隨機數(shù)發(fā)生器能夠完全重置。
[0019]在下面的說明中，論述了大量細節(jié)以提供對本公開內容的實施例的更深入的理 解。然而，對本領域中的技術人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實 踐本公開內容的實施例。在其它情況下，以框圖的形式、而不是以細節(jié)的形式示出了公知的 結構和器件，以避免使本公開內容的實施例難以理解。
[0020] 注意，在實施例的相應的附圖中，用線來表示信號。一些線可以較粗，以指示較多 組成成分的信號路徑；和/或可以在一端或多端具有箭頭，以指示基本信息流動方向。這類 指示并不是要進行限制。相比之下，結合一個或多個示例性實施例使用線以便于更容易地 理解電路或邏輯單元。根據(jù)設計需要或偏好，任何表示的信號實際上都可以包括可以在雙 方向上傳輸?shù)囊粋€或多個信號，并且可以利用任何適當類型的信號方案來實現(xiàn)這些信號。 [0021] 在整個說明書和權利要求中，術語"連接"表示連接的物體之間在沒有任何中間設 備的情況下的直接電連接。術語"耦合"表示連接的物體之間的直接電連接或者通過一個 或多個無源或有源中間設備的間接連接。術語"電路"表示被設置為彼此協(xié)作以提供所需 功能的一個或多個無源和/或有源部件。術語"信號"表示至少一個電流信號、電壓信號或 數(shù)據(jù)/時鐘信號。"一"和"所述"的意義包括多個參考。"在……中"的意義包括"在…… 中"和"在……上"。
[0022] 術語"縮放"通常是指將設計（示意圖和布局）從一種工藝技術轉換為另一種工 藝技術。術語"縮放"通常也指代在相同技術結點內縮小布局和器件。術語"縮放"還可以 指相對于另一個參數(shù)（例如，電源電平）調節(jié)（例如，減緩）信號頻率。術語"大體上"、"接 近"、"近似"、"附近"，以及"大約"通常指的是在目標值的+/-20%的范圍內。
[0023] 除非另外指定，否則使用序數(shù)詞"第一"、"第二"、和"第三"等描述共同對象僅指示 涉及相似對象的不同實例，而不是要暗示如此描述的對象必須按照時間上或空間上的給定 順序、排序或者任何其它方式。
[0024] 出于實施例的目的，晶體管是金屬氧化物半導體（MOS)晶體管，其包括漏極、源 極、柵極和體端子。晶體管還包括：三柵極和FinFet晶體管、柵極全包圍柱狀晶體管或類 似碳納米管或自旋電子器件的實現(xiàn)晶體管功能的其它器件。源極端子和漏極端子可以是相 同的端子，并且在本文中可以被互換使用。本領域中的技術人員將領會到，在不脫離本公開 內容的范圍的情況下可以使用其它晶體管，例如，雙極結型晶體管-BJTPNP/NPN、BiCOMS、 CM0S、eFET等。術語"麗"指示n型晶體管（例如，NM0S、NPNBJT等），并且術語"MP"指示 P型晶體管（例如，PMOS、PNPBJT等）。
[0025] 圖IA示出了基于MTJlOO的RNG。MTJlOO是具有全部在同一線性平面中的堆疊層 的傳統(tǒng)MTJ器件。自頂部算起，第一層是自由鐵磁層。自頂部算起的第二層是由MgO形成 的絕緣層。固定鐵磁層通常由例如CoFeB的鐵磁合金形成。自頂部算起的第三層開始的固 定層由合成反鐵磁（SAF)堆疊體構成（S卩，自頂層算起的第三層以及下面的層）。自頂部算 起的第三層下面的層包括由Ru、C〇Fe、AFM形成的層以及電極。CoFeB/Ru/CoFe的堆疊體形 成反鐵磁交換層（AFM)。底部合成SAF由自然AFM支撐，并且可以由PtMn或IrMn或類似合 金形成。
[0026] 為了將MTJ100作為RNG進行操作，向自由鐵磁層施加偏置電壓Vbias，并且將地耦 合至MTJ100的另一端。由于施加了Vbias，電流流過MTJ100,并且可以在地端子處被感測 至IJ。該電流具有使MTJ100用作RNG的隨機電流性質。然而，由流過MTJ100的電流所產生 的噪聲的分布不是高斯分布。
[0027] 納米磁鐵的動力很大程度上受熱噪聲的影響。納米磁鐵中的熱噪聲表現(xiàn)為內部各 向異性場的波動。熱噪聲可以被認為是傳導電子的微觀自由度和鐵磁元素的晶格的結果。 在室溫T下，由高斯白噪聲（具有時域Dirac-delta自相關）來描述熱噪聲。噪聲場各向 同性地作用在磁鐵上。在存在噪聲的情況下，Laudau Lifshitz Gilbert(LLG)方程可以被 與為：

【權利要求】
1. 一種用于隨機數(shù)產生的裝置，所述裝置包括： 自由鐵磁層； 固定鐵磁層，其位于相對于所述自由鐵磁層的非共線方向上；以及 第一端子，其耦合至所述自由鐵磁層，所述第一端子用于向所述自由鐵磁層提供偏置 電壓。
2. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括耦合至所述固定鐵磁層的第二端子。
3. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中，所述第二端子耦合至地。
4. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括用于產生具有可調節(jié)的電壓電平的所述偏置電 壓的電路。
5. 根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中，所述電路可操作用于通過調節(jié)所述偏置電壓來 重置所述自由鐵磁層。
6. 根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中，所述電路可操作用于通過調節(jié)所述偏置電壓來 使流過所述第一端子的電流隨機化。
7. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述自由鐵磁層和所述固定鐵磁層形成堆疊的 平面內磁性隧道結（MTJ)器件。
8. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括用于感測流過所述第一端子的電流的電流傳感 器，所述電流由于所述偏置電壓而產生。
9. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述自由鐵磁層被設置為相對于所述固定鐵磁 層成90度。
10. -種具有隨機數(shù)發(fā)生器的集成電路，所述集成電路包括： 磁性隧道結（MTJ)器件，其具有非共線設置的自由鐵磁層和固定鐵磁層；以及 電路，其用于向所述自由鐵磁層提供可調節(jié)的偏置電壓，所述電路用于控制由所述MTJ器件感測到的電流的方差。
11. 根據(jù)權利要求10所述的集成電路，還包括耦合至所述自由鐵磁層以接收所述可調 節(jié)的偏置電壓的第一端子。
12. 根據(jù)權利要求11所述的集成電路，還包括用于感測流過所述第一端子的電流的電 流傳感器，所述電流由于所述偏置電壓而產生。
13. 根據(jù)權利要求10所述的集成電路，其中，所述電路可操作用于通過調節(jié)所述偏置 電壓來重置所述自由鐵磁層。
14. 根據(jù)權利要求10所述的集成電路，其中，所述電路可操作用于通過調節(jié)所述偏置 電壓來使流過所述第一端子的電流隨機化。
15. 根據(jù)權利要求10所述的集成電路，其中，所述自由鐵磁層被設置為相對于所述固 定鐵磁層成90度。
16. -種系統(tǒng)，其包括： 存儲器； 處理器，其耦合至所述存儲器，所述處理器具有根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的裝 置；以及 無線接口，其允許所述處理器與另一個設備進行通信。
17. 根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，還包括顯示單元。
18. 根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述顯示單元是觸摸屏。
19. 一種系統(tǒng)，其包括： 存儲器； 處理器，其耦合至所述存儲器，所述處理器具有根據(jù)權利要求10至15中任一項所述的 集成電路的隨機數(shù)發(fā)生器；以及 無線接口，其允許所述處理器與另一個設備進行通信。
【文檔編號】G06F7/58GK104516712SQ201410504791
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2013年9月27日
【發(fā)明者】S·馬尼帕特魯尼, D·E·尼科諾夫, I·A·揚 申請人:英特爾公司