本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，并且更具體地，涉及包括物理不可克隆功能(puf)的半導(dǎo)體裝置。

背景技術(shù)：

裝置可變性通常由(一個或多個)過程變化引起，并且在較小裝置中更為實(shí)質(zhì)。這種可變性在正確的電路操作中是顯著的，并且為了收緊裝置的可變性進(jìn)行了過程改善。最近，正在尋求并應(yīng)用裝置可變性來強(qiáng)化信息技術(shù)的安全性。由于互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)、電路和應(yīng)用的安全性變得越來越嚴(yán)格，因此希望保護(hù)半導(dǎo)體裝置通信之間共享的信息。

用于防止半導(dǎo)體裝置的未經(jīng)授權(quán)的克隆的一種方法是使用物理不可克隆功能(puf)來用數(shù)字位的隨機(jī)集合對物理半導(dǎo)體裝置進(jìn)行編碼。puf生成數(shù)字位的集合(例如128位)以形成矩陣“a”。在puf的操作期間，執(zhí)行y＝a*x的計(jì)算，其中“a”是具有從puf生成的元素的矩陣，“x”是稱為“挑戰(zhàn)”的輸入向量，以及“y”是稱為“響應(yīng)”的輸出向量。矩陣“a”和輸入向量只應(yīng)該由芯片所有者知道，這樣只有所有者可以知道響應(yīng)是否正確。

puf通常體現(xiàn)在物理半導(dǎo)體裝置中，并且引入了易于評估但難以預(yù)測的一對晶體管結(jié)構(gòu)之間的閾值電壓(vt)的隨機(jī)變化。每對晶體管結(jié)構(gòu)輸出“0”位或“1”位。在一個芯片中從puf生成的位必須是固定的并且隨時(shí)間恒定。另外，由不同puf芯片生成的位之間的相關(guān)性必須是隨機(jī)的。即使考慮了制造裝置的制備過程，包括puf的半導(dǎo)體裝置也必須容易制造，但實(shí)際上不可能復(fù)制(即，不可克隆)。制造包括puf的半導(dǎo)體裝置的常規(guī)方法通常將一個或多個puf制造過程添加進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體裝置過程流程中。然而，添加的puf制造過程可能增加制造半導(dǎo)體裝置的總成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的至少一個非限制性實(shí)施例，物理不可克隆功能(puf)半導(dǎo)體裝置包括沿著第一方向延伸以限定長度和沿著與第一方向相對的第二方向延伸以限定厚度的半導(dǎo)體襯底。在半導(dǎo)體襯底上形成至少一對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括具有限定第一閾值電壓的第一電介質(zhì)區(qū)域的第一柵極電介質(zhì)層。第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括具有與第一區(qū)域不同的第二電介質(zhì)區(qū)域的第二柵極電介質(zhì)層，第二電介質(zhì)區(qū)域限定與第一閾值電壓不同的第二閾值電壓。

根據(jù)另一非限制性實(shí)施例，制造物理不可克隆功能(puf)半導(dǎo)體裝置的方法包括：在半導(dǎo)體襯底的第一有源區(qū)上形成具有第一電介質(zhì)區(qū)域的第一柵極電介質(zhì)層，以及在半導(dǎo)體襯底的第二有源區(qū)上形成具有與第一電介質(zhì)區(qū)域不同的第二電介質(zhì)區(qū)域的第二柵極電介質(zhì)層。該方法還包括在第一柵極電介質(zhì)層上形成第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以限定第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一閾值電壓，以及在第二柵極電介質(zhì)層上形成第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以限定與第一閾值電壓不同的第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第二閾值電壓。

根據(jù)又一個非限制性實(shí)施例，制造物理不可克隆功能(puf)半導(dǎo)體裝置的方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成多個柵極電介質(zhì)層。每個柵極電介質(zhì)層具有相對于彼此尺寸不同的柵極電介質(zhì)區(qū)域。該方法還包括在每個柵極電介質(zhì)層上形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，使得每個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相對于彼此具有不同的閾值電壓。

根據(jù)另一個非限制性實(shí)施例，物理不可克隆功能(puf)半導(dǎo)體裝置包括半導(dǎo)體襯底上的多個柵極電介質(zhì)層。每個柵極電介質(zhì)層具有彼此不同的柵極電介質(zhì)區(qū)域。在每個柵極電介質(zhì)層上形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。每個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相對于彼此具有不同的閾值電壓。

根據(jù)又另一非限制性實(shí)施例，物理不可克隆功能(puf)半導(dǎo)體陣列系統(tǒng)包括在半導(dǎo)體襯底上的至少一對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。每個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括限定相應(yīng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的閾值電壓的柵極電介質(zhì)層。每個柵極電介質(zhì)層相對于彼此具有不同的柵極電介質(zhì)區(qū)域，使得每個閾值電壓彼此不同。微控制器被配置為向每個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)施加輸入電壓并且響應(yīng)于輸入電壓來確定每個半導(dǎo)體裝置的閾值電壓。微控制器基于每個半導(dǎo)體裝置的閾值電壓確定電壓差，并且基于電壓差與閾值值之間的比較，將二進(jìn)制位分配給至少一對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

通過本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)另外的特征。在本文中詳細(xì)描述其它實(shí)施例，并且被認(rèn)為它們是要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。為了更好地理解具有這些特征的本發(fā)明，請參考描述和附圖。

附圖說明

在說明書結(jié)論處的權(quán)利要求書中具體指出并明確地要求保護(hù)本發(fā)明的主題。從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，前述特征是明顯的，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的至少一個非限制性實(shí)施例的puf半導(dǎo)體裝置的截面圖，puf半導(dǎo)體裝置包括具有柵極氧化物厚度的隨機(jī)變化以生成裝置的閾值電壓的隨機(jī)變化的多個晶體管結(jié)構(gòu)對；

圖2-8是示出根據(jù)非限制性實(shí)施例的制造具有柵極長度的隨機(jī)變化的puf半導(dǎo)體裝置的過程流程的一系列圖示，其中：

圖2是根據(jù)非限制性實(shí)施例的起始絕緣體上半導(dǎo)體(soi)襯底的截面圖，絕緣體上半導(dǎo)體(soi)襯底包括被淺溝槽隔離區(qū)(sti)彼此分開的第一和第二有源區(qū)；

圖3示出了接著形成每個有源區(qū)內(nèi)的氧化物層的氧化過程的圖2的起始襯底；

圖4示出了接著氧化過程，包括在有源半導(dǎo)體層中形成的第一和第二氧化物層的圖3的起始襯底；

圖5示出了在puf半導(dǎo)體裝置的上表面上沉積阻擋光致抗蝕劑層之后的圖4的襯底；

圖6示出了執(zhí)行光刻過程之后的圖5的襯底，光刻過程圖案化光致抗蝕劑層中的開口以暴露氧化物層的部分；

圖7示出了在使氧化物層的暴露部分部分地凹進(jìn)之后的圖6的襯底；

圖8示出了在去除剩余光致抗蝕劑層以暴露包括第一和第二氧化物層部分的第一氧化物層和包括第一和第二氧化物層部分的第二氧化物層之后的圖7的襯底；

圖9示出了接著第一氧化物層上形成第一柵極結(jié)構(gòu)并在第二氧化物層上形成第二柵極結(jié)構(gòu)的圖8的襯底；以及

圖10示出了以下步驟之后的圖9的襯底：蝕刻第一和第二氧化物層的部分以暴露有源半導(dǎo)體層上的源極/漏極區(qū)，并且在相應(yīng)的源極/漏極區(qū)上形成源極/漏極元件以形成puf半導(dǎo)體裝置，該puf半導(dǎo)體裝置引入第一柵極結(jié)構(gòu)和第二柵極結(jié)構(gòu)的閾值電壓的隨機(jī)變化。

圖11-17是示出根據(jù)另一非限制性實(shí)施例的制造具有柵極長度的隨機(jī)變化的puf半導(dǎo)體裝置的過程流程的一系列圖示，其中：

圖11示出了接著光刻過程的襯底，該光刻過程圖案化光致抗蝕劑層中的開口以暴露根據(jù)第一氧化過程形成的初始氧化物層的部分；

圖12示出了在使氧化物層的暴露部分完全地凹進(jìn)以暴露下面的有源半導(dǎo)體層的部分之后的圖11的襯底；

圖13示出了經(jīng)歷第二氧化過程的圖12的襯底；

圖14示出了接著第二氧化過程的圖13的襯底，該第二氧化過程從暴露的有源半導(dǎo)體層的相應(yīng)的部分形成第二氧化物層部分；

圖15示出了在去除剩余光致抗蝕劑層以暴露包括第一氧化物層和第二氧化物層的上表面之后的圖14的襯底，第一氧化物層具有比剩余初始氧化物層部分薄的第二氧化物層部分，并且第二氧化物層具有比剩余初始氧化物層部分薄的第二氧化物層部分；

圖16示出了接著在第一氧化物層上形成第一柵極結(jié)構(gòu)并且在第二氧化物層上形成第二柵極結(jié)構(gòu)的圖15的襯底；以及

圖17示出了在以下步驟之后的圖16的襯底：蝕刻第一和第二氧化物層的部分以暴露有源半導(dǎo)體層上的源極/漏極區(qū)以及在相應(yīng)的源極/漏極區(qū)上形成源極/漏極元件以形成引入第一柵極結(jié)構(gòu)和第二柵極結(jié)構(gòu)的閾值電壓的隨機(jī)變化的puf半導(dǎo)體裝置。

圖18是包括多個puf半導(dǎo)體裝置和微控制器的puf陣列系統(tǒng)的框圖，微控制器被配置為基于puf半導(dǎo)體裝置的閾值電壓差的隨機(jī)變化來確定隨機(jī)生成的n位二進(jìn)制值。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的各種實(shí)施例提供了puf半導(dǎo)體裝置，其包括引入裝置的閾值電壓(vt)的隨機(jī)變化而不需要另外的puf制造過程的一對大的金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(mosfet)結(jié)構(gòu)。大的mosfet結(jié)構(gòu)包括范圍例如從約60納米(nm)至約120nm的溝道長度，這改善了穩(wěn)定性，同時(shí)仍然提供可接受的vt變化。

不同于在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體裝置制造過程流程中實(shí)現(xiàn)另外的puf制造過程的常規(guī)半導(dǎo)體裝置，本發(fā)明的至少一個實(shí)施例通過一對晶體管結(jié)構(gòu)的柵極電介質(zhì)厚度的變化來引起vt的變化。例如，隨著柵極電介質(zhì)的厚度減小，接通相應(yīng)的晶體管結(jié)構(gòu)所需的電壓量也降低。也就是說，來自上述每對晶體管的閾值電壓的偏移是自增強(qiáng)的，即，一個晶體管具有較低vt，另一個晶體管(必要地)具有較高vt。因此，本發(fā)明的至少一個實(shí)施例隨機(jī)變化每個晶體管結(jié)構(gòu)的柵極電介質(zhì)層以引入第一晶體管結(jié)構(gòu)和第二晶體管結(jié)構(gòu)的vt之間的vt的變化。

當(dāng)形成半導(dǎo)體裝置的柵極結(jié)構(gòu)時(shí)，可以調(diào)節(jié)柵極電介質(zhì)厚度的變化，從而排除了將另外的puf過程加入到半導(dǎo)體制造過程中的需要。例如，至少一個非限制性實(shí)施例提供了包括晶體管對的陣列的puf裝置，其中每對晶體管具有不僅不均勻而且以相反的方式(即，厚度和長度)不對稱的柵極電介質(zhì)。因此，制造puf半導(dǎo)體裝置的成本降低。

根據(jù)另一實(shí)施例，制造puf裝置(例如，晶體管對，或進(jìn)一步的晶體管對的柵極氧化物)的方法利用部分地覆蓋兩個晶體管的單個阻擋光刻/抗蝕劑。然而，與第二晶體管的類似部分相比，第一晶體管的第一部分暴露于光刻蝕刻更多。因此，第一晶體管的柵極電介質(zhì)和第二晶體管的第二柵極電介質(zhì)以不均勻的方式制造，這必然形成柵極電介質(zhì)的相反的形狀/區(qū)域。因此，晶體管對，即不均勻的柵極電介質(zhì)相對于彼此的每一對的長度和厚度以相反的方式不對稱，但是可以使用過程流程中存在的阻擋掩模沿相同的過程流程同時(shí)制造(即，相對于彼此相反地制造)。因此，不需要額外的過程、掩模或成本。

現(xiàn)在參考圖1，示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例的puf半導(dǎo)體裝置100。puf半導(dǎo)體裝置100包括在單個晶片(未示出)上的一個或多個裝置結(jié)構(gòu)102a-102b。應(yīng)當(dāng)理解，盡管示出了第一裝置結(jié)構(gòu)102a和第二裝置結(jié)構(gòu)102b，但是本發(fā)明不限于此。

第一裝置結(jié)構(gòu)102a包括形成在第一半導(dǎo)體襯底106a上的第一和第二半導(dǎo)體柵極結(jié)構(gòu)104a-104b。第一半導(dǎo)體襯底106a包括例如絕緣體上半導(dǎo)體(soi)襯底106a。根據(jù)實(shí)施例，第一soi襯底106a包括體襯底層108a、形成在體襯底層108a的上表面上的掩埋絕緣體層110a以及形成在掩埋絕緣體層110a的上表面上的一個或多個有源半導(dǎo)體層112a。體半導(dǎo)體層108a包括例如硅(si)。掩埋絕緣體層110a包括例如氧化硅(sio2)。有源半導(dǎo)體層112a包括例如si。soi襯底106a還包括將有源半導(dǎo)體層112a彼此電隔離的一個或多個淺溝槽隔離(sti)區(qū)114a。sti區(qū)114a包括例如sio2。

第一和第二柵極結(jié)構(gòu)104a-104形成在相應(yīng)的有源半導(dǎo)體區(qū)112a的上表面上。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知，第一柵極結(jié)構(gòu)104a包括第一柵極電極116a和形成在柵極電極116a的側(cè)壁上的間隔物118a。第一柵極結(jié)構(gòu)104a還包括包含例如sio2的第一柵極電介質(zhì)層120a。第一柵極電介質(zhì)層120a介于第一柵極結(jié)構(gòu)104a和有源半導(dǎo)體層112a之間。

仍然參考圖1，第一柵極電介質(zhì)層120a包括第一柵極部分122a和第二柵極部分124a。第一柵極部分122a具有第一柵極厚度(q1_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_1)。第一柵極厚度(q1_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_1)產(chǎn)生限定第一柵極部分122a的第一柵極電介質(zhì)區(qū)域的第一形狀。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第一柵極電介質(zhì)區(qū)域?yàn)?20a的總柵極電介質(zhì)長度的大約20％至大約80％，并且可以具有與第一柵極電介質(zhì)層120a相同的寬度。例如，總柵極電介質(zhì)區(qū)域的長度為大約20nm至大約80nm的大小，寬度為大約40nm至大約200nm，并且厚度為大約0.5nm至大約4nm。

第二柵極部分124a具有第二柵極電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_2)。第二柵極厚度(q1_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_2)產(chǎn)生限定第二柵極部分124a的第二柵極電介質(zhì)區(qū)域的第二形狀。第二柵極電介質(zhì)層120b的第二形狀相對于第一柵極電介質(zhì)層120相反地布置。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第二柵極電介質(zhì)層的長度范圍例如為從大約20nm至大約50nm，并且厚度為大約2nm至大約10nm。

根據(jù)非限制性實(shí)施例，第二柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_2)的尺寸不同于第一柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_1)。例如，第二柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_2)小于第一柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_1)。此外，第二柵極電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)的尺寸不同于第一柵極電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)。例如，第一柵極電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)小于(即，薄于)第二柵極電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)。

轉(zhuǎn)向圖1所示的第二柵極結(jié)構(gòu)104b，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，第二柵極電極116b包括形成在柵極電極側(cè)壁上的間隔物118b。第二柵極結(jié)構(gòu)104b還包括包含例如sio2的第二柵極電介質(zhì)層120b。第二柵極電介質(zhì)層120b介于第二柵極結(jié)構(gòu)104b和相應(yīng)的有源半導(dǎo)體層112a之間。

第二柵極電介質(zhì)層120b包括第一柵極部分122b和第二柵極部分124b。第一柵極部分122b具有第一柵極電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_1)。第一柵極厚度(q2_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_1)限定了第一柵極部分122b的第一柵極電介質(zhì)區(qū)域。第二柵極部分124b具有第二柵極電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_2)。第二柵極厚度(q2_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_2)限定了第二柵極部分124b的第二柵極電介質(zhì)區(qū)域。

與第一柵極電介質(zhì)層120a類似，第二柵極電介質(zhì)層120b具有與第一柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_1)尺寸不同的第二柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_2)，并且具有與第一柵極電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)尺寸不同的第二柵極電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)。例如，第二柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_2)小于第一柵極電介質(zhì)長度(q2_lox_1)。然而，與第一柵極電介質(zhì)層120a不同，第二柵極電介質(zhì)層120b具有比第二柵極電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)大(即，更厚)的第一柵極電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)。

因此，至少一個非限制性實(shí)施例提供了第一裝置結(jié)構(gòu)102a，其中第一柵極電介質(zhì)層120a的總柵極電介質(zhì)區(qū)域不同于第二柵極電介質(zhì)層120b的總柵極電介質(zhì)區(qū)域。例如，第一柵極電介質(zhì)層120a的總柵極電介質(zhì)區(qū)域小于第二柵極電介質(zhì)層120b的總柵極電介質(zhì)區(qū)域。以這種方式，第一柵極結(jié)構(gòu)104a的閾值電壓(q1_vt)小于第二柵極結(jié)構(gòu)104b的閾值電壓(q2_vt)。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1所示的第二裝置結(jié)構(gòu)102b，在第二半導(dǎo)體襯底106b上形成第三和第四半導(dǎo)體柵極結(jié)構(gòu)104c-104d。與第一半導(dǎo)體襯底106a類似，第二半導(dǎo)體襯底106b包括例如絕緣體上半導(dǎo)體(soi)襯底106b。根據(jù)實(shí)施例，第二soi襯底106b包括體襯底層108b、形成在體襯底層108b的上表面上的掩埋絕緣體層110b以及形成在掩埋絕緣體層110b的上表面上的一個或多個有源半導(dǎo)體層112b。體半導(dǎo)體層108b包括例如硅(si)。掩埋絕緣體層110b包括例如氧化硅(sio2)。有源半導(dǎo)體層112b包括例如si。soi襯底106b還包括將有源半導(dǎo)體層112b彼此電隔離的一個或多個淺溝槽隔離(sti)區(qū)114b。sti區(qū)114b包括例如sio2。

第三和第四柵極結(jié)構(gòu)104c-104c形成在相應(yīng)的有源半導(dǎo)體區(qū)112b的上表面上。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知，第三柵極結(jié)構(gòu)104c包括柵極電極116c和形成在柵極電極116c的側(cè)壁上的間隔物118c。第三柵極結(jié)構(gòu)104c還包括包含例如sio2的第一柵極電介質(zhì)層120c。第一柵極電介質(zhì)層120c介于在第三柵極結(jié)構(gòu)104c和相應(yīng)的有源半導(dǎo)體層112b之間。

仍然參考圖1，第一柵極電介質(zhì)層120c包括第一柵極部分122c和第二柵極部分124c。第一柵極部分122c具有第一柵極電介質(zhì)厚度(q3_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_1)。第一柵極厚度(q3_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_1)限定了第一柵極部分122c的第一柵極電介質(zhì)區(qū)域。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第一柵極電介質(zhì)區(qū)域長度的范圍例如為從大約20nm至大約80nm，寬度為從大約40nm至大約200nm，并且厚度為從大約0.5nm至大約4nm。

第二柵極部分124c具有第二柵極電介質(zhì)厚度(q3_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_2)。第二柵極厚度(q3_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_2)限定了第二柵極部分124c的第二柵極電介質(zhì)區(qū)域。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第二電介質(zhì)區(qū)域長度的范圍為從例如大約60nm至大約120nm，寬度為大約40nm至大約200nm，厚度為大約1nm至大約4nm。

根據(jù)非限制性實(shí)施例，第二柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_2)的尺寸不同于第一柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_1)。例如，第二柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_2)大于第一柵極電介質(zhì)長度(q3_lox_1)。此外，第二柵極電介質(zhì)厚度(q3_tox_2)的尺寸不同于第一柵極電介質(zhì)厚度(q3_tox_1)。例如，第一柵極介質(zhì)厚度(q3_tox_1)小于(即，薄于)第二柵極電介質(zhì)厚度(q3_tox_2)。

轉(zhuǎn)向圖1所示的第四柵極結(jié)構(gòu)104d，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，第四柵極電極116d包括形成在柵極電極側(cè)壁上的間隔物118d。第二柵極結(jié)構(gòu)104d還包括包含例如sio2的第二柵極電介質(zhì)層120d。第二柵極電介質(zhì)層120d介于第二柵極結(jié)構(gòu)104d和相應(yīng)的有源半導(dǎo)體層112b之間。

第二柵極電介質(zhì)層120d包括第一柵極部分122d和第二柵極部分124d。第一柵極部分122d具有第一柵極電介質(zhì)厚度(q4_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_1)。第一柵極厚度(q4_tox_1)和第一柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_1)限定了第一柵極部分122d的第一柵極電介質(zhì)區(qū)域。第二柵極部分124d具有第二柵極電介質(zhì)厚度(q4_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_2)。第二柵極厚度(q4_tox_2)和第二柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_2)限定了第二柵極部分124d的第二柵極電介質(zhì)區(qū)域。

與第三柵極電介質(zhì)層120c類似，第二柵極電介質(zhì)層120d具有與第一柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_1)尺寸不同的第二柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_2)，并且具有與第一柵極電介質(zhì)厚度(q4_tox_1)尺寸不同的第二柵極電介質(zhì)厚度(q4_tox_2)。例如，第二柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_2)大于第一柵極電介質(zhì)長度(q4_lox_1)。然而，與第三柵極電介質(zhì)層120c不同，第四柵極電介質(zhì)層120d具有比第二柵極電介質(zhì)厚度(q4_tox_2)大(即，更厚)的第一柵極電介質(zhì)層厚度(q4_tox_1)。

因此，至少一個非限制性實(shí)施例提供了第二裝置結(jié)構(gòu)102b，其中第三柵極電介質(zhì)層120c的總柵極電介質(zhì)區(qū)域不同于第四柵極電介質(zhì)層120c的總柵極電介質(zhì)區(qū)域。例如，第三柵極電介質(zhì)層120c的總柵極電介質(zhì)區(qū)域大于第四柵極電介質(zhì)層120d的總柵極電介質(zhì)區(qū)域。以這種方式，第三柵極結(jié)構(gòu)104c的閾值電壓(q3_vt)大于第四柵極結(jié)構(gòu)104d的閾值電壓(q4_vt)。

如下面更詳細(xì)討論的那樣，柵極電介質(zhì)層120a-120d的制造期間隨機(jī)地發(fā)生第一柵極電介質(zhì)長度(q1_lox_1-q4_lox_1)和第二柵極介質(zhì)長度(q1_lox_2-q4_lox_2)之間的尺寸差異。結(jié)果，在第一裝置102a的一對結(jié)構(gòu)104a-104b之間產(chǎn)生第一隨機(jī)閾值電壓差，并且在第二裝置102b的第二對結(jié)構(gòu)104c-104d之間提供第二隨機(jī)閾值電壓差。每個閾值電壓差可以與相應(yīng)的閾值值進(jìn)行比較，以生成“0”位輸出或“1”位輸出。因此，本發(fā)明的至少一個實(shí)施例提供了一種生成可以容易地評估但難以預(yù)測和/或?qū)嶋H上不可能復(fù)制的“0”位或“1”位的隨機(jī)連續(xù)的puf半導(dǎo)體裝置100。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2-10，一系列圖示示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例的制造puf半導(dǎo)體裝置200的過程流程。參考圖2，示出了絕緣體上半導(dǎo)體(soi)起始襯底202。盡管示出了soi起始襯底202，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以使用常規(guī)體半導(dǎo)體襯底而不脫離本發(fā)明的范圍。soi襯底202包括體襯底層204、形成在體襯底層204的上表面上的掩埋絕緣體層206以及形成在掩埋絕緣體層206的上表面上的一個或多個有源半導(dǎo)體層208a-208b。體半導(dǎo)體層204包括例如硅(si)。掩埋絕緣體層206包括例如氧化硅(sio2)。有源半導(dǎo)體層208a-208b包括例如si。soi襯底202還包括將有源半導(dǎo)體層208a-208b彼此電隔離的一個或多個淺溝槽隔離(sti)區(qū)210。sti區(qū)210包括例如sio2。

現(xiàn)在參考圖3，soi襯底202被示出為經(jīng)歷本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的氧化過程。氧化過程包括例如熱氧化過程。此外，氧化過程可以包括在例如從約800攝氏度(℃)到約1200℃的高溫范圍將soi襯底202并且特別是有源半導(dǎo)體層208a-208b(即，有源si)暴露于分子氧離子(o2)的干法氧化過程。盡管描述了o2離子，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以使用其它離子來形成包含與根據(jù)第一氧化過程形成的初始柵極電介質(zhì)層212a-212b不同的材料的第二電介質(zhì)層部分。還應(yīng)當(dāng)理解，干法熱氧化過程可以用濕法熱氧化過程代替，濕法熱氧化過程使有源半導(dǎo)體層208a-208b暴露于水蒸汽(例如超高純度(uhp)蒸汽)中。

轉(zhuǎn)到圖4，示出了soi襯底202，其包括作為前述熱氧化過程的結(jié)果的嵌入在每個有源半導(dǎo)體層208a-208b的上部部分中的電介質(zhì)柵極層212a-212b。以這種方式，每個有源半導(dǎo)體層208a-208b介于相應(yīng)的柵極電介質(zhì)層212a-212b和掩埋絕緣體層206之間。柵極電介質(zhì)層212a-212b包括sio2，并且可以用作柵極電介質(zhì)層，如下面更詳細(xì)地討論的。可以基于soi襯底202暴露于前述熱氧化過程的時(shí)間來控制柵極電介質(zhì)層212a-212b的深度。根據(jù)非限制性實(shí)施例，柵極電介質(zhì)層212a-212b可以具有例如從約2nm至約10nm的初始深度范圍。

現(xiàn)在參考圖5，將阻擋光致抗蝕劑層214直接沉積在soi襯底202的上表面上，阻擋光致抗蝕劑層214完全覆蓋sti層210和柵極電介質(zhì)層212a-212b。阻擋光致抗蝕劑層214包括例如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的有機(jī)感光材料，其可以使用包括例如旋涂的各種沉積方法沉積在soi襯底的上表面上。

參考圖6，對光致抗蝕劑層214進(jìn)行圖案化以在其中形成分別暴露下面的柵極電介質(zhì)層212a-212b的電介質(zhì)部分218a-218b的一個或多個開口216a-216b。圖案化過程包括在光致抗蝕劑層214和諸如紫外(uv)光源的光源之間插入光掩模(未示出)。光掩模包括通過其形成的開口。以這種方式，光掩模的實(shí)心部分阻擋uv光的第一部分，而uv光的第二部分通過掩模開口并到達(dá)光致抗蝕劑層214。uv光與光致抗蝕劑層214的一部分反應(yīng)使得開口216a-216b形成在其中。開口216a-216b的尺寸由于uv光曝光而相對于彼此隨機(jī)變化。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第一開口216a具有第一尺寸(d1)，并且第二開口216b具有小于d1的第二尺寸(d2)，如圖6進(jìn)一步所示。以這種方式，經(jīng)由第一開口216a暴露的電介質(zhì)層部分218a具有比通過第二開口216b暴露的相對的電介質(zhì)層部分218b更大的區(qū)域。也就是說，單個阻擋光刻/抗蝕劑覆蓋第一電介質(zhì)層部分218b比第二電介質(zhì)層部分218a多。

轉(zhuǎn)到圖7，使暴露的電介質(zhì)層部分218a和相對的暴露的電介質(zhì)層部分218b凹進(jìn)以低于由剩余光致抗蝕劑層214覆蓋的柵極電介質(zhì)層212a-212b的相應(yīng)的剩余部分220a-220b。各種蝕刻技術(shù)可以實(shí)施以蝕刻暴露的電介質(zhì)層部分218a和暴露的電介質(zhì)層部分218b，包括例如氫氟酸(hf)蝕刻劑。根據(jù)非限制性實(shí)施例，暴露的電介質(zhì)層部分218a和相對的暴露的電介質(zhì)層部分218b可以凹進(jìn)為具有例如從約0.5nm至約3nm范圍的厚度。

現(xiàn)在參考圖8，從puf半導(dǎo)體裝置200的上表面去除剩余光致抗蝕劑層214。在該階段，puf半導(dǎo)體裝置200的上表面包括第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b，其彼此不對稱，如下面更詳細(xì)地討論的。第一柵極電介質(zhì)層212a具有相應(yīng)的第一電介質(zhì)層部分218a和第二電介質(zhì)層部分220a(即，剩余部分220a)。第一電介質(zhì)層部分218a和第二電介質(zhì)層220a限定了相對于彼此具有不同大小的左電介質(zhì)層部分218a和右電介質(zhì)層部分220b。

類似的，第二柵極電介質(zhì)層212b具有相應(yīng)的第一電介質(zhì)層部分218b和第二電介質(zhì)層部分220b(即，剩余部分220b)。第一電介質(zhì)層部分218b和第二電介質(zhì)層部分220b限定了相對于彼此具有不同大小的左電介質(zhì)層部分218b和右電介質(zhì)層部分220b。

第一柵極電介質(zhì)層212a的第一電介質(zhì)層部分218a具有第一電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q1_lox_1)。第一電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q1_lox_1)限定了第一電介質(zhì)層部分218a的第一電介質(zhì)區(qū)域。第一柵極電介質(zhì)層212a的第二電介質(zhì)層部分220a具有第二電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q1_lox_2)。第二電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q1_lox_2)限定了第二電介質(zhì)層部分220a的第二電介質(zhì)區(qū)域。

第一電介質(zhì)層部分218a的大小與第二電介質(zhì)層部分220a的大小不同。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第一電介質(zhì)層部分218a的電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)小于(即，薄于)第二電介質(zhì)層部分220a的電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)。此外，第一電介質(zhì)層部分218a的電介質(zhì)長度(q1_lox_1)大于第二電介質(zhì)層部分220a的電介質(zhì)長度(q1_lox_2)。

仍然參考圖8所示的非限制性實(shí)施例，第二柵極電介質(zhì)層212b的第一電介質(zhì)層部分218b具有第一電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q2_lox_1)。第一電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q2_lox_1)限定了第一電介質(zhì)層部分218b的第一電介質(zhì)區(qū)域。第二柵極電介質(zhì)層212b的第二電介質(zhì)層部分220b具有第二電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q2_lox_2)。第二電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q2_lox_2)限定了第二電介質(zhì)層部分220b的第二電介質(zhì)區(qū)域。

與第一柵極電介質(zhì)層212a類似，第二柵極電介質(zhì)層212b包括具有與第二電介質(zhì)層部分220b不同的大小的第一電介質(zhì)層部分218b。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第一電介質(zhì)層部分218b的電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)小于(即，薄于)第二電介質(zhì)層部分220b的電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)。然而，第一電介質(zhì)層部分218b的電介質(zhì)長度(q2_lox_1)小于第二電介質(zhì)層部分220b的電介質(zhì)長度(q2_lox_2)。因此，第二柵極電介質(zhì)層212b的總第二電介質(zhì)區(qū)域大于第一柵極電介質(zhì)層212a的總第一電介質(zhì)區(qū)域。

如圖8進(jìn)一步所示，第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b相對于彼此相反地制造。例如，第一柵極電介質(zhì)層212a具有第一電介質(zhì)層部分218a(即，具有長度(d1)的左電介質(zhì)層部分218a)和第二電介質(zhì)層部分220a(即，具有長度(d2)的右電介質(zhì)層部分220a)。然而，第二柵極電介質(zhì)層212b具有第一電介質(zhì)層部分218b(即，具有長度(d2)的右電介質(zhì)層部分218b)和第二電介質(zhì)層部分220b(即，具有長度(d1)的左電介質(zhì)部分220b)。也就是說，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的左電介質(zhì)層部分218a的長度(d1)與對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的左電介質(zhì)層部分220b的長度(d1)相匹配。然而，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的左電介質(zhì)層部分218a的厚度小于例如對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的左電介質(zhì)層部分220b的厚度。

類似的，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的右電介質(zhì)層部分220a的長度(d2)與對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的右電介質(zhì)層部分218b的長度(d2)匹配。然而，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的右電介質(zhì)層部分220a的厚度大于例如對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的右電介質(zhì)層部分218b的厚度。因此，第二電介質(zhì)柵極層212b相對于第一柵極電介質(zhì)層212a相反地制造。應(yīng)當(dāng)理解，第一和第二柵極電介質(zhì)層212a-212b的大小不是限制性的。例如，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的左電介質(zhì)層部分218a的厚度可以大于對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的左電介質(zhì)層部分220b的厚度，并且對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的右電介質(zhì)層部分220a的厚度可以小于對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的右電介質(zhì)層部分218b的厚度。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9，第一柵極結(jié)構(gòu)222a形成在第一柵極電介質(zhì)層212a上，以及第二柵極結(jié)構(gòu)222b形成在第二柵極電介質(zhì)層212b上。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，第一和第二柵極結(jié)構(gòu)222a-222b中的每一個包括包含偽柵極或金屬柵極的電極區(qū)224a-224b。柵極結(jié)構(gòu)222a-222b還包括形成在相應(yīng)的電極區(qū)224a-224b的側(cè)壁上的間隔物226a-226b。間隔物226a-226b可以包括各種材料，包括但不限于氮化硅(sin)。

第一柵極結(jié)構(gòu)222a形成在第一柵極電介質(zhì)層212a上，使得第一電極區(qū)224a設(shè)置在第一電介質(zhì)層部分218a的一部分和第二電介質(zhì)層部分220a的一部分上。以類似的方式，第二柵極結(jié)構(gòu)222b形成在第二柵極電介質(zhì)層212b上，使得第二電極區(qū)224b設(shè)置在第一電介質(zhì)層部分218b的一部分和第二電介質(zhì)層部分220b的一部分上。以類似的方式，第二柵極結(jié)構(gòu)222b形成在第二柵極電介質(zhì)層212b上，使得第二柵極區(qū)224b部分地設(shè)置在第一電介質(zhì)層部分218b上并部分地設(shè)置在第二電介質(zhì)層部分220b上。然而，由于第二柵極電介質(zhì)層212b的總第二電介質(zhì)區(qū)域(例如，總電介質(zhì)厚度)大于(即，部分220b比部分218b厚)第一柵極電介質(zhì)層212a的總第一電介質(zhì)區(qū)域(例如，總氧化物厚度)(即，部分218a比部分220b薄)，因此第二柵極結(jié)構(gòu)222b具有大于第一柵極結(jié)構(gòu)222a的閾值電壓(q1_vt)的閾值電壓(q2_vt)。換句話說，接通第一柵極結(jié)構(gòu)222a所需的電壓小于接通第二柵極結(jié)構(gòu)222b所需的電壓，因?yàn)樾纬稍诘谝粬艠O電極區(qū)224a下方的總第一電介質(zhì)區(qū)域(例如，總氧化物厚度)小于形成在第二柵極電極區(qū)224b下方的總第二電介質(zhì)區(qū)域(例如，總氧化物厚度)。

現(xiàn)在參考圖10，分別從對應(yīng)于有源半導(dǎo)體層208a-208b的源極/漏極區(qū)的位置去除第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b的部分。然后使用包括例如外延晶體生長的各種技術(shù)在源極/漏極區(qū)(即，暴露的有源半導(dǎo)體層208a-208b)上形成源極/漏極元件228a-228b，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的。因此，包括一對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(例如，晶體管)的puf半導(dǎo)體裝置200。每個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括分別由于根據(jù)以上詳細(xì)描述的過程流程形成的第一和第二柵極電介質(zhì)層212a-212b的隨機(jī)尺寸變化而具有隨機(jī)產(chǎn)生的閾值電壓(q1_vt，q2_vt)的柵極結(jié)構(gòu)222a-222b。

例如，第一柵極電介質(zhì)層212a的電介質(zhì)層部分218a位于第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一區(qū)(例如，左區(qū))處，并且第一柵極電介質(zhì)層212a的電介質(zhì)層部分220b位于第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第二區(qū)(例如，右區(qū))處。相似的是，第二柵極電介質(zhì)層212b的電介質(zhì)層部分220b位于與第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一區(qū)(例如，左區(qū))匹配的第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一區(qū)(例如，左區(qū))處，并且第二柵極電介質(zhì)層212b的電介質(zhì)層部分218b位于與第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第二區(qū)(例如，右區(qū))匹配的第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第二區(qū)(例如，右區(qū))處。以這種方式，可以不同地形成位于第一和第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的匹配區(qū)處的電介質(zhì)層部分的厚度。例如，位于第一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一區(qū)處的電介質(zhì)層部分218a的厚度與位于第二半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的第一區(qū)處的電介質(zhì)層部分220b的厚度不同。

可以使用例如微控制器(圖10中未示出)來確定第一閾值電壓(q1_vt)和第二電壓閾值(q2_vt)之間的電壓差，如下面更詳細(xì)地討論的。微控制器可以進(jìn)一步將電壓差與閾值值進(jìn)行比較，以確定對應(yīng)于特定puf半導(dǎo)體裝置200的“0”位或“1”位。例如，如果電壓差低于閾值值，則微控制器向puf半導(dǎo)體裝置200分配“0”位輸出。然而，如果電壓差大于或等于閾值值，則微控制器向puf半導(dǎo)體裝置200分配“1”位輸出。由于電壓差基于第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b的隨機(jī)尺寸，因此分配給puf半導(dǎo)體裝置200(即，一對柵極結(jié)構(gòu)222a-222b)的位輸出也是隨機(jī)的。

因此，至少一個實(shí)施例提供了一種puf半導(dǎo)體裝置200，其引入了易于評估但難以預(yù)測并且實(shí)際上不可能重建的一對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的閾值電壓(vt)的隨機(jī)變化。根據(jù)非限制性實(shí)施例，來自上述每對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(例如，晶體管)的閾值電壓的偏移是自增強(qiáng)的，即，一個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有較低vt，而另一導(dǎo)體結(jié)構(gòu)必然具有較高vt。此外，由于vt的隨機(jī)變化基于柵極電介質(zhì)層的隨機(jī)尺寸，所以隨機(jī)變化可以使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造過程流程而不引入另外的puf制造過程來實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，制造puf半導(dǎo)體裝置200的總成本降低。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖11-17，一系列圖示示出了根據(jù)另一非限制性實(shí)施例的制造具有柵極長度的隨機(jī)變化的puf半導(dǎo)體裝置200的過程流程。參考圖11，示出了接著光刻過程的soi襯底202，光刻過程對光致抗蝕劑層214中的開口216a-216b圖案化以分別暴露根據(jù)第一氧化過程形成的初始柵極電介質(zhì)層212a-212b的部分218a-218b。如上詳細(xì)描述的，圖案化過程包括在光致抗蝕劑層214和諸如紫外(uv)光源的光源之間插入光掩模(未示出)。光掩模包括通過其形成的圖案化開口，使得光掩模的實(shí)心部分阻擋uv光的第一部分，而圖案化開口允許uv光的第二部分到達(dá)光致抗蝕劑層214。紫外光與光致抗蝕劑層214的一部分反應(yīng)，使得其中形成開口216a-216b。開口216a-216b的尺寸由于uv光曝光而相對于彼此隨機(jī)變化。根據(jù)非限制性實(shí)施例，第一開口216a具有第一尺寸(d1)，并且第二開口216b具有大于d1的第二尺寸(d2)，如圖11中進(jìn)一步所示。以這種方式，暴露的電介質(zhì)層部分218a的區(qū)域小于相對的暴露的電介質(zhì)層部分218b的區(qū)域。

圖12示出了使先前暴露的電介質(zhì)層部分218a-218b完全地凹進(jìn)以部分地暴露下面的第一有源半導(dǎo)體層208a和下面的第二半導(dǎo)體層208b中的每一個之后的圖11的soi襯底202?？梢詫?shí)施各種蝕刻技術(shù)來蝕刻暴露的電介質(zhì)層部分218a-218b，包括例如hf蝕刻劑。由于第一開口216a的尺寸小于第二開口216b的尺寸，所以第一暴露的有源半導(dǎo)體層208a的區(qū)域小于第二暴露的有源半導(dǎo)體層208b的區(qū)域。

現(xiàn)在參考圖13，示出了經(jīng)歷第二氧化過程的soi襯底202。第二氧化過程基本上被施加到整個soi襯底202上。然而，僅第一有源半導(dǎo)體層208a和第二有源半導(dǎo)體層208b的暴露部分對第二氧化過程作出反應(yīng)。第二氧化過程可以與用于形成初始柵極電介質(zhì)層212a-212b的第一氧化過程類似。例如，第二氧化過程可以是在高溫處將soi襯底202并且特別是暴露的有源半導(dǎo)體層208a-208b(即，有源si)暴露于分子氧離子(o2)的干法熱氧化過程。高溫范圍可以是例如約800攝氏度(℃)至約1200℃。盡管描述了o2離子，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以使用其它離子來形成包含與根據(jù)第一氧化過程形成的初始柵極電介質(zhì)層212a-212b不同的材料的第二電介質(zhì)層部分。還應(yīng)當(dāng)理解，干法熱氧化過程可以用濕法熱氧化過程代替，濕法熱氧化過程使有源半導(dǎo)體層208a-208b暴露于水蒸汽(例如超高純度(uhp)蒸汽)中。

參考圖14，接著前述第二氧化過程示出了soi襯底202。作為第二氧化過程的結(jié)果，第二電介質(zhì)層部分219a-219b分別由暴露的有源半導(dǎo)體層208a-208b形成。第一柵極電介質(zhì)層212a的第二電介質(zhì)219a層部分(例如左電介質(zhì)層219a層部分)具有與第一柵極電介質(zhì)層212a的第一電介質(zhì)層部分220a(例如右電介質(zhì)層部分220b)不同的長度和不同的厚度。類似的，第二柵極電介質(zhì)層212b的第二電介質(zhì)層部分219b(例如右電介質(zhì)層部分層219b)具有與第二柵極電介質(zhì)層212b的第一電介質(zhì)層部分220b(例如，左電介質(zhì)層部分220b)不同的長度和不同的厚度。因此，所得到的第一柵極電介質(zhì)層212a和所得到的第二柵極電介質(zhì)層212b相反地制造并且相對于彼此不對稱。盡管第二電介質(zhì)層部分219a-219b被示出為具有小于剩余電介質(zhì)部分220a-220b的厚度的第一厚度，但是可以使用第二氧化過程形成厚度大于剩余電介質(zhì)部分220a-220b的厚度的第二電介質(zhì)層部分219a-219b。

圖15示出了在去除剩余光致抗蝕劑層以暴露包括第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b的上表面之后的圖14的襯底，第一柵極電介質(zhì)層212a具有比剩余電介質(zhì)層部分220a薄的第二電介質(zhì)層部分219a，第二柵極電介質(zhì)層212b具有比剩余電介質(zhì)層部分220b薄的第二電介質(zhì)層部分219b。例如，第一柵極電介質(zhì)層212a的第一電介質(zhì)層部分219a具有第一電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q1_lox_1)。第一電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q1_lox_1)限定了第一電介質(zhì)層部分219a的第一電介質(zhì)區(qū)域。第一柵極電介質(zhì)層212a的第二電介質(zhì)層部分220a具有第二電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q1_lox_2)。第二電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q1_lox_2)限定了第二電介質(zhì)層部分220a的第二電介質(zhì)區(qū)域。

如圖15進(jìn)一步所示，第一電介質(zhì)層部分219a的大小與第二電介質(zhì)層部分220a的大小不同。例如，電介質(zhì)層部分219a的電介質(zhì)厚度(q1_tox_1)小于(即，薄于)剩余電介質(zhì)層部分220a的電介質(zhì)厚度(q1_tox_2)。此外，電介質(zhì)層部分219a的電介質(zhì)長度(q1_lox_1)小于剩余電介質(zhì)層部分220a的電介質(zhì)長度(q1_lox_2)。

仍然參考圖15所示的非限制性實(shí)施例，第二柵極電介質(zhì)層212b的電介質(zhì)層部分219b具有第一電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q2_lox_1)。第一電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)和第一電介質(zhì)長度(q2_lox_1)限定了電介質(zhì)部分層219b的第一電介質(zhì)區(qū)域。第二柵極電介質(zhì)層212b的剩余電介質(zhì)層部分220b具有第二電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q2_lox_2)。第二電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)和第二電介質(zhì)長度(q2_lox_2)限定了剩余電介質(zhì)部分層部分220b的第二電介質(zhì)區(qū)域。

與第一柵極電介質(zhì)層212a類似，第二柵極電介質(zhì)層212b包括具有與剩余電介質(zhì)層部分220b不同的大小的電介質(zhì)層部分219b。根據(jù)非限制性實(shí)施例，電介質(zhì)層部分219b的電介質(zhì)厚度(q2_tox_1)小于(即，薄于)剩余電介質(zhì)層部分220b的電介質(zhì)厚度(q2_tox_2)。然而，電介質(zhì)層部分219b的電介質(zhì)長度(q2_lox_1)大于剩余電介質(zhì)層部分220b的電介質(zhì)長度(q2_lox_2)。因此，第二柵極電介質(zhì)層212b的總電介質(zhì)區(qū)域小于第一柵極電介質(zhì)層212a的總電介質(zhì)區(qū)域。

如圖15進(jìn)一步所示，第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b相對于彼此相反地制造。例如，第一柵極電介質(zhì)層212a包括具有長度(d1)的左電介質(zhì)層部分219a和具有大于d1的長度(d2)的右電介質(zhì)層部分220a。第二柵極電介質(zhì)層212b包括具有長度(1)的左電介質(zhì)層部分220b和具有大于d1的長度(d2)的右電介質(zhì)層部分219b。也就是說，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的左電介質(zhì)層部分219a的長度(d1)與對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的左電介質(zhì)層部分220b的長度(d1)相匹配。然而，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的左電介質(zhì)層部分219a的厚度小于例如第二柵極電介質(zhì)層212b的左電介質(zhì)層部分220b的厚度。

類似的，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的右電介質(zhì)層部分220a的長度(d2)與對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的右電介質(zhì)層部分219b的長度(d2)相匹配。然而，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的右電介質(zhì)層部分220a的厚度大于例如第二柵極電介質(zhì)層212b的右電介質(zhì)層部分219b的厚度。應(yīng)當(dāng)理解，第一和第二柵極電介質(zhì)層212a-212b的大小不是限制性的。例如，對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的左電介質(zhì)層部分219a的厚度可以大于對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的左電介質(zhì)層部分220b的厚度，并且對應(yīng)于第一柵極電介質(zhì)層212a的右電介質(zhì)層部分220a的厚度可以小于對應(yīng)于第二柵極電介質(zhì)層212b的右電介質(zhì)層部分219b的厚度。

轉(zhuǎn)到圖16，第一柵極結(jié)構(gòu)222a形成在第一柵極電介質(zhì)層212a上，以及第二柵極結(jié)構(gòu)222b形成在第二柵極電介質(zhì)層212b上。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，第一和第二柵極結(jié)構(gòu)222a-222b中的每一個包括包含偽柵極或金屬柵極的電極區(qū)224a-224b。柵極結(jié)構(gòu)222a-222b還包括形成在相應(yīng)的電極區(qū)224a-224b的側(cè)壁上的間隔物226a-226b。間隔物226a-226b可以包括各種材料，包括但不限于氮化硅(sin)。

第一柵極結(jié)構(gòu)222a形成在第一柵極電介質(zhì)層212a上，使得第一電極區(qū)224a部分地設(shè)置在電介質(zhì)層部分219a上并且部分地設(shè)置在剩余電介質(zhì)層部分220a上。以類似的方式，第二柵極結(jié)構(gòu)222b形成在第二柵極電介質(zhì)層212b上，使得第二電極區(qū)224b部分地設(shè)置在電介質(zhì)層部分219b上并且部分地設(shè)置在剩余電介質(zhì)層部分220b上。然而，由于第二柵極電介質(zhì)層212b的總第二電介質(zhì)區(qū)域(例如，總氧化物厚度)小于第一柵極電介質(zhì)層212a的總第一電介質(zhì)區(qū)域(例如，總電介質(zhì)厚度)，因此第二柵極結(jié)構(gòu)222b具有小于第一柵極結(jié)構(gòu)222a的閾值電壓(q1_vt)的閾值電壓(q2_vt)。換句話說，接通第一柵極結(jié)構(gòu)222a所需的電壓大于接通第二柵極結(jié)構(gòu)222b所需的電壓，因?yàn)樾纬稍诘谝粬艠O電極區(qū)224a下方的總電介質(zhì)區(qū)域(例如，總氧化物厚度)大于形成在第二柵極電極區(qū)224b下方的總電介質(zhì)區(qū)域(例如，總氧化物厚度)。

現(xiàn)在參考圖17，分別從對應(yīng)于有源半導(dǎo)體層208a-208b的源極/漏極區(qū)的位置去除第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b的部分。然后使用包括例如外延晶體生長的各種技術(shù)在源極/漏極區(qū)(即，暴露的有源半導(dǎo)體層208a-208b)上形成源極/漏極元件228a-228b，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的。因此，形成puf半導(dǎo)體裝置200，其包括一對柵極結(jié)構(gòu)222a-222b，每個柵極結(jié)構(gòu)由于根據(jù)上面詳細(xì)描述的過程流程形成的第一和第二柵極電介質(zhì)層212a-212b的隨機(jī)尺寸變化而具有隨機(jī)產(chǎn)生的閾值電壓(q1_vt，q2_vt)。

可以使用例如微控制器(圖17中未示出)來確定第一閾值電壓(q1_vt)和第二電壓閾值(q2_vt)之間的電壓差，如下面更詳細(xì)地討論的。微控制器可以進(jìn)一步將電壓差與閾值值進(jìn)行比較，以確定對應(yīng)于特定puf半導(dǎo)體裝置200的“0”位或“1”位。例如，如果電壓差低于閾值值，則微控制器向puf半導(dǎo)體裝置200分配“0”位輸出。然而，如果電壓差大于或等于閾值值，則微控制器向puf半導(dǎo)體裝置200分配“1”位輸出。由于電壓差基于第一柵極電介質(zhì)層212a和第二柵極電介質(zhì)層212b之間的隨機(jī)尺寸變化，因此分配給puf半導(dǎo)體裝置200(即，一對柵極結(jié)構(gòu)222a-222b)的位輸出也是隨機(jī)的。

因此，至少一個實(shí)施例提供了一種puf半導(dǎo)體裝置200，其引入了易于評估但難以預(yù)測并且實(shí)際上不可能重建的一對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的閾值電壓(vt)的隨機(jī)變化。此外，由于vt的隨機(jī)變化基于柵極結(jié)構(gòu)的柵極電介質(zhì)層的隨機(jī)尺寸，所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造過程流程而不引入另外的puf制造過程來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)變化。結(jié)果，減少了制造puf半導(dǎo)體裝置200的總成本。

現(xiàn)在參考圖18，示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例的puf陣列系統(tǒng)300的框圖。puf陣列系統(tǒng)300可以包括連接到控制器和讀取器(即，微控制器)302的任何數(shù)量的puf半導(dǎo)體裝置100a-100n。每個puf半導(dǎo)體裝置100a-100n包括第一柵極結(jié)構(gòu)104a和第二柵極結(jié)構(gòu)104b。第一柵極結(jié)構(gòu)104a具有第一閾值電壓(vt1)，以及第二柵極結(jié)構(gòu)104b具有第二閾值電壓(vt2)。

微控制器302被配置為向puf陣列300的每個puf半導(dǎo)體裝置100a-100n提供輸入電壓(vin)和地電位(vg)。響應(yīng)于vin和vg，微控制器302確定第一和第二電壓閾值(vt1，vt2)，并計(jì)算電壓差(δvt＝vt2-vt1)。微控制器302進(jìn)一步將電壓差與閾值值進(jìn)行比較，以確定對應(yīng)于相應(yīng)的puf半導(dǎo)體裝置100a-100n的二進(jìn)制輸出，即“0”位或“1”位。例如，如果電壓差(δvt)低于閾值值(th)，則微控制器302向puf半導(dǎo)體裝置100a-100n分配“0”位輸出。然而，如果電壓差(δvt)大于或等于閾值值，則微控制器302分配“1”位輸出。由puf陣列系統(tǒng)300輸出的總位數(shù)對應(yīng)于puf陣列系統(tǒng)300中的puf半導(dǎo)體裝置100a-100n的數(shù)量。由于電壓差基于柵極結(jié)構(gòu)104a-104b的閾值電壓，閾值電壓又基于第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層的隨機(jī)尺寸，因此puf陣列系統(tǒng)300的總位輸出也是隨機(jī)的。因此，puf陣列系統(tǒng)300包括多個半導(dǎo)體裝置100a-100n，多個半導(dǎo)體裝置100a-100n具有引入可以容易地分析但實(shí)際上不可能復(fù)制的閾值電壓(vt)的變化的柵極電介質(zhì)層中的隨機(jī)變化。

如本文所使用的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)不應(yīng)被解釋為暫態(tài)信號本身，例如無線電波或其它自由傳播的電磁波、通過波導(dǎo)或其它傳輸介質(zhì)傳播的電磁波(例如，通過光纖電纜的光脈沖)或通過電線傳輸?shù)碾娦盘枴?/p>

如本文所使用的，術(shù)語模塊是指包括專用集成電路(asic)、電子電路的硬件模塊，執(zhí)行一個或多個軟件或固件程序的處理器(共享的、專用的或分組的)和存儲器，組合邏輯電路和/或提供所描述的功能的其它合適的組件。

已經(jīng)出于說明的目的給出了本發(fā)明的各種實(shí)施例的描述，但是這些描述并不旨在窮舉或限制所公開的實(shí)施例。在不脫離所描述的實(shí)施例的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將是明顯的。本文中使用的術(shù)語被選擇為最好地解釋實(shí)施例的原理，對市場中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用或技術(shù)改善，或使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠理解本文公開的實(shí)施例。

本文使用的術(shù)語僅用于描述特定實(shí)施例的目的，而不意在限制本發(fā)明。如本文所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。將進(jìn)一步理解，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“包括”和/或“包含”指定所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除存在或添加一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件組件和/或其集合。

以下權(quán)利要求書中的所有方式或步驟和功能元件的對應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、動作和等同物旨在包括與特別要求保護(hù)的其它要求保護(hù)的元件相組合地執(zhí)行該功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或動作。已經(jīng)為了說明和描述的目的而呈現(xiàn)了本發(fā)明的描述，但并不旨在是窮舉的或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開的形式。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是明顯的。選擇和描述實(shí)施例以便最好地解釋本發(fā)明教導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用的原理，并且使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠使用適合于設(shè)想的具體使用的各種修改來理解本發(fā)明的各種實(shí)施例。

這里描述的流程圖僅僅是一個示例。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，該圖或其中描述的操作可以有許多變化。例如，可以以不同的順序執(zhí)行操作，或者可以添加、刪除或修改操作。所有這些變化被認(rèn)為是要求保護(hù)的發(fā)明的一部分。

雖然已經(jīng)描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在和將來都可以進(jìn)行落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的各種修改。這些權(quán)利要求應(yīng)被解釋為對于首先描述的本發(fā)明保持適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。