一种集成加密功能的存储器单元及其应用

本发明属于半导体，具体涉及一种集成加密功能的存储器单元及其应用。

背景技术：

1、随着aiot的快速发展，硬件安全的重要性提升，数量众多的物联网边缘端和节点端芯片对低成本、高安全性芯片的需求提升。建立芯片信任根需要密钥产生、加密、存储三部分电路。一般的，三个电路组成部分相互独立，带来了较大的硬件代价，使得物联网边缘端和节点端芯片存在硬件安全与成本之间的设计折中问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种集成加密功能的存储器单元及其应用，本发明的存储器单元组成的存储电路中可以完成数据加密，提升存储信息安全性的同时，可以降低硬件代价。

2、本发明技术方案如下：

3、一种集成加密功能的存储器单元，包括一个p型隧穿场效应晶体管作为写入管、一个n型隧穿场效应晶体管作为读出管和一个铁电电容，所述写入管、读出管和铁电电容相互连接共同构成存储节点sn，其中，写入管的源电极连存储节点sn、栅电极连写入字线wwl、漏电极连写入位线wbl，读出管的栅电极连存储节点sn、漏电极连读出位线rbl、源电极连0v，铁电电容的一端连存储节点sn，另一端连读出字线rwl。

4、所述铁电电容存在两种极化状态，一种是极化向上，一种是极化向下，且铁电电容在无外加电压时能保持上述两种极化状态，因此，所述存储器单元中存在两个存储部分，一个是存储节点sn，用于存储明文信息，另一个是铁电电容，用于存储密钥信息；所述铁电电容的两种极化状态对应两种不同的电容大小，能在存储器单元读出的过程中实现不同的分压，进而实现明文信息和密钥信息之间的加密解密功能。

5、所述p/n型隧穿场效应晶体管，其源端包括源金属层和包裹源金属层的源半导体层，该隧穿场效应晶体管的源端在物理上等效为栅控肖特基结与栅控pn结的串联结构，具有双向导通特性；其漏端距离栅边界有一定的距离，可以抑制隧穿场效应晶体管的双极电流，降低器件关态电流。

6、进一步，所述p/n型隧穿场效应晶体管的源半导体层的峰值掺杂浓度为1e20cm-3及以上，

7、源半导体层的宽度在横向上比源金属层的宽度宽5nm及以上，源半导体层的厚度在纵向上比源金属层的厚度厚5nm及以上。

8、进一步，所述p/n型隧穿场效应晶体管的漏端距离栅10nm到100nm之间。

9、本发明针对所述存储器单元提出了一套操作方法，包括对铁电电容写1、对铁电电容写0、对存储节点sn写1、对存储节点sn写0和对存储信息加密读取五个步骤，具体如下：

10、保持状态下，即没有写1、写0和读取操作时，所述存储器单元中，写入字线wwl、写入位线wbl、读出字线rwl和读出位线rbl的电压均为0v；若存储节点sn中存储的信息是“0”，那么存储节点sn的电压为0v，若存储节点sn中存储的信息是“1”，那么存储节点sn的电压为v0；若铁电电容中存储的信息是“0”，那么铁电电容的极化方向为从rwl指向sn，若铁电电容中存储的信息是“1”，那么铁电电容的极化方向为从sn指向rwl；

11、对铁电电容写1的步骤为：给写入字线wwl施加电压v1，给写入位线wbl施加电压v2，读出字线rwl和读出位线rbl的电压不变；此时，写入管开启，将电压v2从写入位线wbl传输到存储节点sn，铁电电容的极化方向翻转为从sn指向rwl；写入完毕后，写入字线wwl和写入位线wbl电压均恢复到0v；

12、对铁电电容写0的步骤为：给写入字线wwl施加电压v1，给写入位线wbl施加电压0v，给读出字线rwl施加电压v2，读出位线rbl的电压不变；此时，写入管开启，将电压0v从写入位线wbl传输到存储节点sn，铁电电容的极化方向翻转为从rwl指向sn；写入完毕后，写入字线wwl和读出字线rwl电压均恢复到0v；

13、对存储节点sn写0的步骤为：给写入字线wwl施加电压v1，给写入位线wbl施加电压0v，读出字线rwl和读出位线rbl的电压不变；此时，写入管开启，将电压0v从写入位线wbl传输到存储节点sn；写入完毕后，写入字线wwl和写入位线wbl电压均恢复到0v；

14、对存储节点sn写1的步骤为：给写入字线wwl施加电压v1，给写入位线wbl施加电压v0，读出字线rwl和读出位线rbl的电压不变；此时，写入管开启，将电压v0从写入位线wbl传输到存储节点sn；写入完毕后，写入字线wwl和写入位线wbl电压均恢复到0v；

15、对所述存储器单元加密读取的步骤为：将读出位线rbl预充到电压v2以后让读出位线rbl处于浮置状态，给写入字线wwl施加电压v2，给读出字线rwl施加电压v2，写入位线wbl电压保持不变；此时，如果存储节点sn和铁电电容中存储的信息均为0，那么读出管电流较小，读出位线rbl电压为v3，输入三态比较电路以后输出电压为v2，即密文信息为1，如果存储节点sn和铁电电容中存储的信息均为1，那么读出管电流较大，读出位线rbl电压下降为v4，输入三态比较电路以后输出电压为v2，即密文信息为1；如果存储节点sn中存储信息为“0”、铁电电容中存储信息为“1”，那么读出管电流中等，读出位线rbl电压下降为v5，输入三态比较电路以后输出0v，即密文信息为0，如果存储节点sn中存储信息为“1”、铁电电容中存储信息为“0”，那么读出管电流中等，读出位线rbl电压下降为v6，输入三态比较电路以后输出0v，即密文信息为0；读取完毕后，写入字线wwl、读出字线rwl和读出位线rbl电压均恢复到0v。读取操作前后，存储节点sn的电压和铁电极化保持不变。

16、进一步，所述加密读取步骤中，铁电电容中存储的为密钥信息key，存储节点sn中存储的为明文信息wi，将存储器单元读出信息输入三态比较电路以后，得到的输出信息xe，整个过程相当于对密钥信息key和明文信息wi做异或运算处理，即xe＝key+○wi，输出信息xe为加密读出后的密文信息。

17、本发明还提出了一种由所述存储器单元组成的具有加密功能的存储器阵列，由所述存储器单元沿横向、纵向重复排列成矩阵结构，同一行存储器单元共用一条写入字线wwl和一条读出字线rwl，同一列存储器单元共用一条写入位线wbl和一条读出位线rbl。

18、本发明针对所述存储器阵列，提出了对应的操作方法，其特征在于，对阵列中的存储器单元进行控制操作时，需要按列写入密钥、按行写入明文、按行读出密文；如果是给铁电电容写入信息，需要先给被选择列的所有存储器单元写1，再给该列中需要的存储器单元写0，即可完成写入密钥的操作；如果是给存储节点sn写入信息，则能同时给一行中所有的存储器单元写入信息，即可完成写入明文的操作；如果是加密读出，则能同时读出被选择行的所有单元中的密文信息；

19、所述存储器阵列的操作方法包括写入密钥、写入明文和读取密文三部分，对每一个存储器单元，这三部分操作的顺序为先写入密钥，再写入明文，再读取密文。

20、进一步，所述存储器阵列的操作方法，具体如下：

21、(1)写入密钥的具体方法为：

22、先给被选择列中密钥为1的存储器单元的铁电电容写1，具体的，给所有写入字线wwl施加电压v1，给对应的写入位线wbl施加电压v2，其余写入位线电压为0v，密钥为1的存储器单元对应的读出字线rwl电压为0v，密钥为0的存储器单元对应的读出字线rwl电压为v2，所有读出位线rbl的电压不变；此时，阵列中所有单元的写入管开启，被选择列中密钥为1的存储器单元的铁电电容两端电压为v2，超过铁电电容的矫顽电压vc，铁电电容的极化方向翻转为从sn指向rwl，阵列其余存储器单元的铁电电容两端电压为0v，铁电极化不发生翻转；写入完毕后，所有wwl、wbl和rwl电压均恢复到0v；

23、再给被选择列中密钥为0的存储器单元的铁电电容写0，具体的，给对应单元的写入字线wwl施加电压v1，被选择列的wbl施加电压0v，其余wbl和所有的rwl同时施加电压v2，读出位线rbl的电压不变；此时，对应存储器单元及其同行的其他单元的写入管开启，被选择列中对应存储器单元的铁电电容两端电压为v2，铁电电容的极化方向翻转为从rwl指向sn，同一行中其他单元的铁电电容两端电压为0v，铁电极化不翻转；被选择列中其余行的存储器单元的写入管关闭，由于写入管的关态电流低、栅源电容小，使得sn节点与wwl之间的耦合电压小，sn节点电压通过写入管关态电流放电的速度慢，因而rwl电压几乎全部耦合到sn节点，铁电电容两端电压近似为0v，铁电极化不翻转；对于其余行其余列的存储器单元来说，写入管关闭，wbl电压通过写入管的正偏pin电流传输至存储节点sn，由于其余wbl和所有的rwl同时施加电压v2，铁电电容两端电压为0v，铁电极化不发生翻转；写入完毕后，所有wwl电压、wbl电压、rwl电压均恢复到0v；

24、对存储器阵列中的其他列重复上述操作，能实现给阵列中所有单元写入密钥信息；

25、(2)写入明文的具体方法为：

26、给被选择行的存储器单元写入明文信息，具体的，给被选择行的wwl施加电压v1，给明文为0的单元对应的写入位线wbl施加电压0v，给明文为1的单元对应的写入位线wbl施加电压v0，读出字线rwl和读出位线rbl的电压不变；此时，被选择行的写入管开启，将电压从写入位线wbl传输到存储节点sn；写入完毕后，所有wwl和wbl电压均恢复到0v；由于v0小于铁电电容的矫顽电压vc，写入明文信息的过程中，铁电电容不发生翻转，密钥信息不受破坏；

27、对存储器阵列中的其他行重复上述操作，能实现给阵列中所有单元写入明文信息；

28、(3)读取密文的方法为：

29、读出被选择行的存储器单元的密文信息，具体的，将所有读出位线rbl预充到v2以后让读出位线rbl处于浮置状态，给被选择行的写入字线wwl施加v2，给被选择行的读出字线rwl施加v2，写入位线wbl电压保持不变；此时，如果存储节点sn和铁电电容中存储的信息均为0，那么读出管电流较小，读出位线rbl电压为v3，输入三态比较电路以后输出电压为v2，即密文信息为1；如果存储节点sn和铁电电容中存储的信息均为1，那么读出管电流较大，读出位线rbl电压下降为v4，输入三态比较电路以后输出电压为v2，即密文信息为1；如果存储节点sn中存储信息为“0”、铁电电容中存储信息为“1”，那么读出管电流中等，读出位线rbl电压下降为v5，输入三态比较电路以后输出0v，即密文信息为0；如果存储节点sn中存储信息为“1”、铁电电容中存储信息为“0”，那么读出管电流中等，读出位线rbl电压下降为v6，输入三态比较电路以后输出0v，即密文信息为0；读取完毕后，写入字线wwl、读出字线rwl和读出位线rbl电压均恢复到0v；读取操作前后，存储节点sn的电压和铁电极化保持不变。

30、进一步，所述电压v0为0v到2v之间，约等于读出管的开启电压，所述电压v1为0v到-5v之间，所述电压v2为0v到5v之间，所述电压v3为0v到v2之间，所述电压v5和v6为0v到v3之间，所述电压v4是小于v5和v6的正数，v5和v6近似相等。

31、本发明一种集成加密功能的存储器单元及其应用，所提出的集成加密功能的存储器单元及其阵列电路具有加密读出功能，在增大存储电路安全性的同时，降低了硬件代价；可以增强抗行锤攻击的能力，提升存储电路的安全性；可以延长存储器的保持时间，降低刷新频率和刷新功耗；可以降低读出位线漏电，缓解读串扰问题，增大存储窗口和阵列规模。