CMOS-kompatible RRAM-basierten Strukturen für die Implementierung von Physikalisch Nichtklonbarer Funktionen (PUF) und echten Zufallszahlengenerationen (TRNG)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Mussenbrock
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439700144

Physikalisch nichtklonbare Funktionen (PUF) und echte Zufallszahlengeneration (TRNG) sind zwei Komponenten, die heutzutage weitgehend genutzt werden, um zufällige Bitströme in Sicherheitsanwendungen zu generieren. Im letzten Jahrzehnt hat die Nutzung von tragbarer Unterhaltungselektronik stark zugenommen und hat somit die Sicherheit in der drahtlosen Kommunikation zu einer der wichtigsten Anforderungen in der Mikroelektronik-Technologie gemacht. Daher ist es von großem Interesse, eine Implementierung von Sicherheitskomponenten zu entwickeln, welche die folgenden Eigenschaften erfüllten: Ein leistungsarmer Betrieb, eine hohe Integrationsdichte und die Kompatibilität mit CMOS-Prozessen. Entsprechend dem "More than Moore" -Ansatz (Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch Multifunktionalität) können solche Charakteristika erreicht werden. Zum Beispiel sind Resistive RAM-Speicher (RRAM) in den letzten Jahren als vielversprechende zukünftige Kandidaten für nichtflüchtige Speicher (NVM) untersucht worden. Darüber hinaus sind die Mechanismen der Schaltvorgänge in RRAM-Baulemente intrinsisch stochastisch. Daher wird die RRAM-Technologie als eine geeignete Lösung für die Umsetzung der zukünftigen PUF- und TRNG-Komponenten angesehen.Die in diesem Projekt vorgeschlagene Studie beinhaltet eine interdisziplinäre Forschungsaktivität, um folgende drei Ziele zu erreichen:1. Entwicklung eines CMOS-kompatiblen RRAM-basierten Bauelementes, das sowohl PUFs als auch TRNGs Funktionalitäten implementieren kann.2. Entwicklung eines geeigneten operativen Algorithmus, der in der Lage ist, die physikalische Zufälligkeit von RRAM-Bauelementen in echte zufällige digitale Bits umzuwandeln.3. Herauszufinden, wie sich die Zufälligkeit der vorgeschlagenen Lösung aus fundamentalen physikalischen und chemischen Prozessen zusammensetzt.Um die grundlegenden physikalischen Mechanismen der für TRNGs und PUFs Anwendungen geforderten Eigenschaften zu verstehen, werden ausführliche Material- und elektrische Charakterisierungen durchgeführt. Alle RRAM-basierten Strukturen, die zu diesen Charakterisierungen benötigt werden, basieren auf der bekannten TiN/HfO2/Ti/TiN-Struktur, wobei Prozessparameter gezielt modifiziert werden, um die Zielstellungen des Projektes zu erreichen. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Materialeigenschaften durch die elektrischen Charakterisierungen verbessern die Schalt- und Leitungsmechanismen in RRAM-Bauelemente aus der makroskopischen Perspektive. Um diese Eigenschaften durch physikalische und chemische atomare Wechselwirkungen zu erklären, ist ein komplementärer Ansatz erforderlich: Die Simulation von atomistischen Modellen. Letztendlich ist eine detaillierte statistische Analyse der durch die resistiv-schaltenden Bauelemente erzeugten elektrischen Ergebnisse zwingend erforderlich.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2253: Nano Security: Von Nanoelektronik zu Sicheren Systemen