MOS构件、电路和用于机动车的电池单元的制作方法

本发明涉及一种mos构件、一种电路和一种具有这种mos构件的用于机动车的电池单元。

背景技术：

对于未来的电动汽车概念而言，可靠的和允许高负荷的电池技术的可用性非常重要。虽然电动机和其他车辆技术在其开发过程中已经非常先进并且具有令人满意的质量，但蓄电池技术是电动汽车的关键要素之一。在此关键的主要是储能密度和能量存储器的处理，该储能密度直接反映车辆的作用距离。在能够接受的总重量情况下，与具有内燃机的车辆相比，电驱动车辆由于蓄电池容量有限而达到明显更小的作用距离。此外，电驱动车辆的生产成本目前仍显著高于具有内燃机的传统机动车。

除了提高储能密度并且同时降低成本以外，电池的功能安全性对于在汽车中广泛使用而言至关重要。如果电池内部发生(可能由于机械损伤或由于枝晶生长引起的)短路，则期望电池的受控放电，从而不受控制的能量释放不会导致爆炸、烟雾或火焰产生。

因此期望的是，提供如下可能性：在发生故障时实现受影响的蓄电池单元的受控放电。到目前为止，存在热/机械反熔丝解决方案，在该解决方案中，例如通过烟火技术或熔断来产生长期稳定的短路。相反，具有所需的非挥发性的电子装置迄今尚无法获得。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种具有栅极元件和沟道区的mos构件，其中，在栅极元件与沟道区之间布置有电绝缘层，该电绝缘层由至少三个单层构成，其中，与栅极元件邻接的第一单层由电绝缘材料构成，既不与栅极元件邻接也不与沟道区邻接的第二单层是存储层，该存储层用于永久地存储电荷，并且与该沟道区邻接的第三单层由电绝缘材料构成。该mos构件的特征在于，与布置在第二单层与栅极区之间的单层的整体相比，布置在沟道区与第二单层之间的单层的整体具有更高的等效氧化物厚度。

mos构件在此理解为金属-氧化物-半导体构件(英语“metaloxidesemiconductor”)——例如mosfet(“金属氧化物半导体场效应晶体管”)或mos二极管。也能够想到其他的可能多功能的构件，然而这些多功能构件具有至少一个根据本发明的带有所公开功能的区段。

栅极元件尤其理解为如下构件或一个或多个如下构件的区段：在将电压施加到栅极元件上时或者在改变施加到栅极元件上的电压时，所述构件引起mos构件的源极到漏极的导电性的改变。

沟道区尤其应理解为由掺杂半导体材料构成的区段，可以通过将电压施加到栅极元件上来改变该区段的导电性。在此，提供具有强反转的空间电荷区，由此，n导电区变为p导电的，并且反之亦然。

等效氧化物厚度eot理解为如下参量：该参量说明电介质的以氧化硅层厚度为单位的绝缘效果。具体地，在此通过相关材料的电场常数εr,mat与氧化硅的电场常数εr,sio2之比作为因子来修改实际层厚度dmat：

根据本发明的mos构件(例如mosfet或电力mosfet或功率mosfet)可以用作电池单元的熔断元件或短路元件，该mos构件具有低沟道电阻并且具有匹配于待保护的电池单元的(必要时较低的)截止电压。该构件具有电荷存储层，该电荷存储层可以俘获(即捕获和存储)电荷，进而该电荷存储层可以改变晶体管的起动电压(einsatzspannnung)——即mosfet接通时的电压。

通过将电荷引入存储层或从存储层中移除电荷，可以改变mosfet的起动电压。如果引入的电荷足够大，则可以在不将电压施加到栅极上的状态下改变起动电压的符号并且因此改变构件的特性。适用如下公式：

其中，δvth,nnit是起动电压与中性状态中的起动电压的差值，其与引入存储层(通常氮化物层)的电荷nnit相关，dtopox是顶部氧化物(即第三单层)的厚度，dnit是氮化物层或存储层(即第二单层)的厚度，并且ε0，εr,sio2和εr,nit分别是真空的、氧化硅的以及氮化硅的已知电场常数。如果存储层并非由氮化硅构成，则当然必须使用相应材料的材料常数来进行计算。

根据本发明的mos构件具有如下优点：首次存在长期稳定的短路开关可供使用，该短路开关也可以称为反熔丝。该mos构件例如可以用作电池保险丝(batteriesicherung)。通过操纵存储层，mos构件(尤其mosfet)可以从“常断”状态(即自截止状态)转换成“常通”状态(即自导通状态)，或者反之亦然，在所述“常断”状态中，构件处于所谓的增强模式中，在所述“常通”状态中，构件处于所谓的耗尽模式中。这两种状态多年来都是长期稳定的并且不依赖于永久供电。因此，在正常状态中截止的构件可以变成永久导通的构件——例如变成所谓的自保持mosfet。

如果在电池单元上发现故障，则可以通过将编程电压施加到栅极元件上、通过施加或去除电荷来如此操纵存储层，使得mos构件从截止状态切换到导通状态中，并且因此允许电池单元的受控放电。只要存储层的电荷改变，则该系统不再取决于外部电源，这在有缺陷的电池单元的安全系统中是必不可少的，因为故障源也可能影响相应的外部电压源。

在所述电池应用中，根据本发明的短路mosfet必须可靠地在其整个寿命上是低电阻的，而无需有外部电源可供使用，因为该电池作为功率源要么被破坏、要么由于短路而在外部mosfet上可能具有非常低的电压降，由所述电压降借助电荷泵无法再产生切换信号。即使在电池完全放电的情况下，在故障情况之后的一段时间，根据本发明的sr(self-retaining：自保持)mosfet也保持接通并且例如可以在各个电池单元的串联电路中确保单元的可靠桥接。

本发明的可能应用领域是锂离子电池，所述锂离子电池例如用于电动汽车、混合动力汽车、也用于工具或消费类电子产品、用于铅酸蓄电池、锂聚合物蓄电池、磷酸铁锂蓄电池或钛酸锂蓄电池以及通常用于(尤其电动汽车和功率电子器件领域中的)能量存储器。因此可以增加所述应用领域中的电池技术的功能安全性。

在一种有利构型中设置，布置在栅极元件与沟道区之间的所有单层的总的等效氧化物厚度处于15nm至25nm之间、优选18nm至22nm之间、特别优选19nm至21nm之间。这种构型有利于构件的效率。在此，整个绝缘层的等效氧化物厚度与所需栅极电压以及与整个构件的介电强度直接相关。

第一单层和第三单层可以分别由氧化硅(sio2)构成，并且第二单层可以由氮化硅(si3n4)构成。这两种材料已经由技术完全已知，从而在此不再进一步讨论。当然，与用于存储层的替代材料一样，用于绝缘单层的其他材料(例如氧化铝(al2o3)或具有高k值的其他氧化物)当然也是可能的。

替代地可能的是，第二单层实施成浮栅。于是，该第二单层可以由多晶硅构成。第二单层(即存储层)实施成由多晶硅构成的浮栅还是如上所述实施成由氮化硅构成的浮栅是优选的取决于具体应用情况。这两种变型方案分别需要不同的所需的层厚度和掺杂，这可能导致不同的沟道电阻。在此，通常优选低沟道电阻。

有利地，第二单层具有处于8nm至12nm之间、优选9nm至11nm之间、特别优选9.5nm至10.5nm之间的厚度。这种配置得出通用的构件。然而，对于特定使用目的而言，其他层厚度也可能是有利的。

对于在机动车的能量供给范畴内的应用而言，有利的是，在将编程电压施加到栅极元件上时，所述编程电压的量值是15至25v、优选18至22v，特别优选19至21v，电荷从栅极元件隧穿到第二单层中或从第二单层隧穿到栅极元件中，而同时没有电荷从第二单层隧穿到沟道区中或从沟道区隧穿到第二单层中。所述范围内的电压很容易获得，但同时又足够高，以便可靠地防止构件从一个状态无意中切换到另一状态中。

隧穿工艺可以有利地是福勒-诺德海姆隧穿(fowler-nordheim-tunneln)。于是，电荷(即电子或空穴)不必隧穿相应绝缘层的完整能量势垒，而是通过施加在栅极上的电压已经使能带图略微弯曲，从而用于电荷的有效势垒降低。福勒-诺德海姆隧穿通常以约10mv/cm的电压开始。

在本发明的一种有利构型中，编程电压以电压脉冲的形式构型。为此，不需要永久的电压源，而是例如可以以充电电容器的形式保持电压脉冲。电压脉冲可以例如具有100μs至1ms之间的长度并且具有5v至20v之间的量值的电压。具有100μs至1ms之间的长度的电压脉冲形式的编程电压足以通过隧穿电流如此改变第二单层中的电荷，使得mos构件永久地从截止状态转换为导通状态，或者反之亦然。因此可以容易地触发本发明重要的切换过程。

为了实现电池单元的受控放电，有利的是，mos构件通过隧穿从常断状态转换到常通状态中。因此，该构件可以导致(例如有缺陷的电池单元的)受控短路，然后，这种受控短路导致电池单元的缓慢放电。

一种替代构型有利地设置，第二单层在mos构件的输送状态(auslieferungszustand)中被预充电。然后可以有利地通过将电压施加到栅极元件上来释放第二单层中存储的电荷。该过程称为“去俘获(detrapping)”。在这种情况下，为了切换或重新编程该构件，不对存储层进行充电而是放电。当期望特定电子或空穴隧穿时——这由于不同有效质量而可能导致所需的编程电压以及其他参数发生显著变化，则这可能是有利的。

在最终测量期间——即在生产期间的检查步骤中，可以通过栅极上的负电压来实现借助电子给浮栅预充电。由此，通过注入，将小于0v的原始阈值电压增加到例如3到5v上。在构件的运行情况中或接通情况中，通过栅极的轻微正偏压实现电子至栅极的反向隧穿(rücktuneln)，使得该构件被重新编程至较低的起动电压(重新小于0v)，并且后续在没有栅极电压的情况下也保持打开。

本发明的一种扩展方案设置，第一中间层在至少一个区域中减薄，从而可以通过减薄区域将电荷注入第二单层中。以这种方式，可以实现隧道势垒的各向异性。然后，对于电荷而言，隧穿进入存储层中比从存储层隧穿出来更容易。因此增加了“自保持”状态(即导通状态)的时间稳定性。

根据本发明，还提出一种具有asic(application-specificintegratedcircuit：专用集成电路)和根据本发明的mos构件的电路，asic也称为定制芯片(customchip)。该asic可以用于监视待保护的电池单元的状态。如果asic探测到故障状态，则该asic可以促使反熔丝的触发，从而以受控方式使电池单元放电。asic尤其可以引起或提供用作编程脉冲的电压脉冲，以便重新编程mos构件并且因此建立期望的短路。

在一种有利的扩展方案中，asic为此可以具有电荷存储器。在该电荷存储器中存储有足够大的电荷量，以便在mos构件的存储层中放置足够量的电荷来使mos构件切换到导通状态。电荷存储器例如可以是电容器或小型电池。

本发明的一种有利构型设置，mos构件是功率mosfet。这种功率mosfet的特征在于低沟道电阻，并且尤其可以在汽车工业中实际使用。

特别有利的是，该mos构件能够用作反熔丝或反保险丝。这种构件实现了如下目的：借助电子构件提供在发生故障时建立导电连接的可能性。

本发明的有利扩展方案在从属权利要求中给出并在说明书中描述。

附图说明

根据附图和以下描述更详细地阐释本发明的实施例。附图示出：

图1示出根据本发明的mos构件的第一实施例的示意性横截面；

图2示出根据本发明的mos构件的第二实施例的示意性横截面；

图3示出根据本发明的mos构件的第三实施例的示意性横截面；

图4示出根据本发明的mos构件的第四实施例的示意性横截面；

图5示出在存储层预充电期间的根据本发明的mos构件；

图6示出在存储层放电期间的根据本发明的mos构件；

图7示出处于具有未充电存储层的状态中的sonos结构方式中的实施例的示意性能带图；

图8示出处于具有充电存储层的状态中的sonos结构方式中的实施例的示意能带图；

图9示出处于具有未充电存储层的状态中的tanos结构方式中的实施例的示意性能带图；

图10示出处于具有充电的存储层的状态中的tanos结构方式中的实施例的示意性能带图；

图11示出沟槽mosfet形式的根据本发明的mos构件的第五实施例的示意性横截面；

图12示出处于正常状态中的具有根据本发明的mos构件和asic的电路图；

图13示出处于mos构件切换期间的具有根据本发明的mos构件和asic的电路图；

图14示出处于mos构件切换之后的具有根据本发明的mos构件和asic的电路图。

具体实施方式

图1示出mosfet形式的根据本发明的mos构件2。在此例如可以涉及dmos(double-diffusedmetal-oxidesemiconductorfieldeffecttransistor：双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管)、umos(v-grovedmosfield-effecttransistor：v沟槽mos场效应晶体管)或基于场板的mosfet。在该附图的下部区域示出npn-mosfet的经典结构。示出重度n掺杂源极区4以及同样重度n掺杂的漏极区6、(与源极区4低阻抗地连接的)p掺杂体区8以及n掺杂的沟道区10，在该n掺杂沟道区中，在将电压施加到栅电极形式的栅极元件12上时形成导电沟道。替代npn-mosfet，当然也可以构造根据本发明的pnp-mosfet。然后将所有掺杂和电压的符号反转，并且相应地改变多数电荷载流子的类型。

对于本发明必不可少的是有源半导体区与栅极元件12之间的堆叠状层结构，该有源半导体区由源极区4、漏极区6、体区8以及漂移区10构成。在所示的并且根据本发明的最简单可能的情况下，该区域由三个单层构成，这三个单层是：可以称为底部氧化物(bottomoxid)的第一单层14、可以称为存储层的第二单层16以及可以称为顶部氧化物(topoxid)的第三单层18。可以看出，底部氧化物14比顶部氧化物18更厚。这是与非易失性存储器芯片中的已知mosfet结构的主要差异，在其他方面是类似的。这是因为：在根据本发明的mos构件中，存储层16从栅极构件12充电或放电，相反，在已知的非易失性存储器芯片中，从沟道区对存储层进行访问。相反，第一单层14(即底部氧化物)旨在有效地抑制来自沟道区10的电子注入。

图2示出类似于图1中所示的mosfet构件2，该mosfet构件具有三个单层14、16和18的厚度的具体构型。第一单层14(即底部氧化物)相对较厚，其具有10nm的厚度并且由氧化硅构成。第二单层16(即存储层)由氮化硅构成并且同样具有10nm的厚度。第三单层18(即顶部氧化物)也由氧化硅构成并且具有相对较小的厚度5nm，以便允许电荷载流子隧穿过第三单层。

即使在将相对较小的电压施加到栅极元件12上时，电荷载流子(即要么电子要么空穴)也已经可以很好地从栅极构件12隧穿到存储层16中或从存储层16隧穿到栅极构件12中。同时，底部氧化物18的厚度足够大，以便由此防止通过该底部氧化物隧穿到有源半导体区中或者从有源半导体区隧穿出来。这导致约20nm的总的等效氧化物厚度(equivalentoxidethickness，eot)。

mosfet2以sonos技术制造，即该mosfet具有“硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅”堆叠。在此，第一“硅”是指栅电极，该栅电极通常由多晶硅(即高度掺杂的多晶硅)制成。作为替代方案，较新的tanos技术也是可能的，在这种情况下，使用“氮化钽-氧化铝-氮化物(氮化硅)-氧化物-硅”堆叠。于是，该栅极材料是氮化钽构成，并且顶部氧化物由氧化铝构成。这种替代方案具有如下技术优点：例如因为通过栅极材料的高输出功和到al2o3价带中的低势垒，所以促进了栅极的空穴注入，这又允许较低的触发电压和较短的触发脉冲。于是，用于提供编程脉冲或触发脉冲所需的(例如可以集成在asic中的)能量存储器可以更小。然而，由于使用诸如al2o3和氮化钽的材料，这种生产目前仍比传统sonos工艺更昂贵。

图3示出一种变型方案，在该变型方案中，存储层不实施成氮化硅层而是实施成所谓的浮栅20。浮栅20由多晶硅构成并且完全与其他有源元件(例如源极区4、漏极区6或栅极元件12)电隔离。在此示出的情况中，底部氧化物14和顶部氧化物18的厚度相应于图2中示出的实施例，但是也可以与那里描述的值有所不同。

图4示出图3中所示的实施例的变型方案，在该变型方案中，顶部氧化物18在区域22中减薄。减薄区域22由栅极元件12的注入尖端24填充，该注入尖端通常由金属或多晶硅构成。通过这种结构简化了载流子从栅极元件12到存储层中的隧穿，相反，从存储层16到栅极元件12中的反向隧穿过程的概率仅略微变化。这导致，可以容易地给浮栅20形式的存储层充电，但是引入的电荷可以长期存储在浮栅20中。为了给浮栅20充电，需要比放电情况量值更小的电压。

图5示出预充电期间的图3中的实施例。在此，通过施加到栅极元件12上的量值相对较大的充电电压(在示出的示例中为-20v)，如此提高电子隧穿概率22，使得发生从栅极元件12通过顶部氧化物18到存储层中的净电荷转移，该存储层在此又实施成浮栅20。如果现在关断充电电压，则电子22保留在浮栅20中。这种状态可以是长期稳定的并且可以持续10年或更长时间。通过给浮栅20充电，可以将中性状态中导通的mosfet2、即“常通”mosfet带到非导通状态中。

现在在图6中示出浮栅20的放电。为此，将+5v的相对较小的放电电压施加到栅极元件20上就足够了。现在电子22再次通过顶部氧化物18隧穿到栅极元件20中。因此，浮栅20形式的存储层再次被放电并且又变成电中性。因此，mosfet2恢复其导通状态，并且因此可以在浮栅20放电之后用作短路保险丝或反熔丝。

图7至图10示出相应的第一至第三单层14、16和18的示意性能带图，所述能带图具有价带38的下边缘和导带40的上边缘。图7和图8在此示出sonos结构方式的mos构件，并且图9和图10示出tanos结构方式的mos构件。在图7和图9中分别示出没有电压施加在栅极12上的状态。在图8和图10中示出如下状态：在该状态中，在编程脉冲期间，将编程脉冲电压(例如+5v)施加到栅极12上。能带38、40分别发生弯曲并且允许从空穴42到存储层16中的隧穿，在那里，它们作为正电荷累积。

图11示出作为竖直沟槽mosfet26的实施变型方案。漏极区6在此布置在附图的下部区域中。此外，可以看出源极区4、体区8、栅极元件12和场板26。如图1至6中所示的水平mosfet那样，由现有技术已经充分已知基本结构。然而，栅极构件12与沟道区10之间的层结构则是对于本发明重要相关的。该层结构又由第一单层14、第二单层16和第三单层18构成。这三个单层14，16和18共同承担(通常由唯一的层承担的)栅极元件12相对于沟道区10进而相对于沟槽mosfet26的整个有源半导体区的电气隔离。第二单层16再次实施成氮化硅层。但是浮栅在此也是可能的。

对于制造而言，已知过程仅须略有改变。在此，将由沟槽mosfet已知的栅极氧化物用作底部氧化物14。然后，分别将氮化物层16和顶部氧化物层18沉积。沟槽几何形状仅略微发生变化。可以通过体掺杂来补偿由于较高的eot而改变的起动电压。

图12示出mosfet2形式的根据本发明的mos构件的电路图。该mos构件与待保护的电池或电池单元28串联连接。asic30形式的单独的电路用于监视电池单元28的状态。在电池单元28的故障情况下，(例如电容器形式的)单独的小型电荷存储器32集成在asic30中。如图13所示，在探测到电池单元28的故障状态时，该电荷存储器将切换脉冲或触发脉冲34发送给mosfet2。通过借助mosfet2的外部短路或由于电池单元28本身的故障状态，现在asic30上和电荷存储器32上的电压降低，使得在此不再能产生信号。这在图14中示出。然而，电荷存储器32的存储电荷足以触发所需大小的触发脉冲34。通过触发脉冲34将mosfet2接通并且发生上述的注入。这有时非常快地发生，例如在100μs至1ms之间的时间内，这类似于已知的充电捕获存储器。在由于asic电压源的击穿而去除触发脉冲34之后，mosfet2通过存储层中的注入空穴而保持接通——即处于耗尽模式。

ono结构或ano结构(氧化物-氮化物-氧化物或氧化铝-氮化物-氧化物)确保：电荷永久地保持在电荷存储器32中并且因此始终保持接通。因此，确保电池单元28在故障情况中的永久性短路。