MOS构件、电路和用于机动车的电池单元制造技术

本发明专利技术涉及一种MOS构件(2)，该MOS构件具有源极区(4)、漏极区(6)、体区(8)、沟道区(10)和栅极元件(12)，其中，栅极元件(12)与所述沟道区(10)通过第一单层(14)、第二单层(16)和第三单层(18)形式的至少三个单层的整体彼此电绝缘。第二单层(16)在此构型成可以永久地存储电荷。与布置在所述第二单层(16)与所述栅极区(12)之间的第一单层(14)相比，布置在所述沟道区(10)与所述第二单层(16)之间的第三单层(18)具有更大的等效氧化物厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】MOS构件、电路和用于机动车的电池单元
本专利技术涉及一种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。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据本专利技术，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专利技术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：根据本专利技术的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。根据本专利技术的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，根据本专利技术的短路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，根据本专利技术的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。本专利技术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，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MOS构件(2)，其具有栅极元件(12)和沟道区(10)，其中，在所述栅极元件(12)与所述沟道区(10)之间布置有电绝缘层，所述电绝缘层由至少三个单层(14，16，18)构成，其中，与所述栅极元件(12)邻接的第一单层(14)由电绝缘材料构成，既不与所述栅极元件(12)邻接也不与所述沟道区(10)邻接的第二单层(16)是存储层，所述存储层适用于永久地存储电荷，并且与所述沟道区(10)邻接的第三单层(18)由电绝缘材料构成，其特征在于，与布置在所述第二单层(16)与所述栅极区(12)之间的单层的等效氧化物厚度的整体相比，布置在所述沟道区(10)与所述第二单层(16)之间的单层的整体具有更大的等效氧化物厚度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.11 DE 102016222213.91.一种MOS构件(2)，其具有栅极元件(12)和沟道区(10)，其中，在所述栅极元件(12)与所述沟道区(10)之间布置有电绝缘层，所述电绝缘层由至少三个单层(14，16，18)构成，其中，与所述栅极元件(12)邻接的第一单层(14)由电绝缘材料构成，既不与所述栅极元件(12)邻接也不与所述沟道区(10)邻接的第二单层(16)是存储层，所述存储层适用于永久地存储电荷，并且与所述沟道区(10)邻接的第三单层(18)由电绝缘材料构成，其特征在于，与布置在所述第二单层(16)与所述栅极区(12)之间的单层的等效氧化物厚度的整体相比，布置在所述沟道区(10)与所述第二单层(16)之间的单层的整体具有更大的等效氧化物厚度。2.根据权利要求1所述的MOS构件(2)，其中，布置在所述栅极元件(12)与所述沟道区(10)之间的所有单层(14，16，18)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。3.根据权利要求1或2所述的MOS构件(2)，其中，所述第二单层实施成浮栅(20)。4.根据以上权利要求中任一项所述的MOS构件(2)，其中，所述第二单层(16)具有8nm至12nm...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·朱斯，W·冯埃姆登，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE