CN1328811C - 具有燃料电池的半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的具有燃料电池的半导体装置，包括燃料电池和半导体元件，所述燃料电池包括：形成有燃料流路的阳极分离器；形成有氧化剂流路的阴极分离器；所述阳极分离器和所述阴极分离器所夹持的膜电极结合体，所述半导体元件在从所述阳极分离器和所述阴极分离器中所选择的一个分离器的一个主面上形成，所述半导体元件和所述一个分离器电连接。通过形成这样的具有燃料电池的半导体装置，能够形成更小型的通用性优异的具有燃料电池的半导体装置。

Description

具有燃料电池的半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有燃料电池的半导体装置及其制造方法。
背景技术
现在，作为具有半导体元件的器件的半导体装置在电子器件等各种领域广泛使用，其用途越来越扩大。另外，近些年来，以微电机等为代表的微小的半导体装置引起注意。
如果这样的半导体装置本身具有电源(即，如果是具有电源的半导体装置)，就能够成为通用性更优异的半导体装置。这种情况下，作为电源也能够使用锂电池等通常使用的二次电池。但是，在现在的二次电池技术中，在输出特性上，与半导体元件相比需要大尺寸的电源。为此，具有电源的半导体装置的小型化具有极限。另外，在电池耗尽的情况下，由于需要充电或者交换，所以在通用性方面也存在问题。此外，可预想到二次电池的再利用在将来是非常大的社会问题。由这样的状况，希望实现更小型的且通用性优异的具有电源的半导体装置。
发明内容
这里，本发明的目的在于，提供一种小型的且通用性优异，具有燃料电池作为电源的半导体装置及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明的具有燃料电池的半导体装置(下面，简称为“半导体装置”)，具有燃料电池和半导体元件。
上述燃料电池包括：形成有燃料流路的阳极分离器；形成有氧化剂流路的阴极分离器；上述阳极分离器和上述阴极分离器所夹持的膜电极结合体，上述半导体元件在从上述阳极分离器和上述阴极分离器中所选择的一个分离器的一个主面上形成，上述半导体元件和上述一个分离器电连接。
在上述半导体装置中，包括第一和第二半导体元件，上述第一半导体元件可在上述阳极分离器的一个主面上形成，上述第二半导体元件可在上述阴极分离器的一个主面上形成。
在上述半导体装置中，上述第一分离器也可以由半导体基板来形成。
在上述半导体装置中，上述半导体基板也可以是由结晶硅构成的半导体基板。
在上述半导体装置中，上述半导体基板也可以是由包含IIIb族元素和Vb族元素的化合物半导体构成的半导体基板。
在上述半导体装置中，上述半导体基板也可以是由包含IIb族元素和VIb族元素的化合物半导体构成的半导体基板。
在上述半导体装置中，上述阳极分离器也可以由n型半导体基板形成，上述阴极分离器也可以由p型半导体基板来形成。
在上述半导体装置中，在上述一个分离器和上述膜电极结合体之间，也可以配置减少上述一个分离器和上述膜电极结合体的接触电阻的接触层。
在上述半导体装置中，在上述半导体元件和上述一个分离器之间也可以形成绝缘层。
在上述半导体装置中，上述半导体元件和上述一个分离器也可以通过在上述绝缘层中形成的电极来电连接。
在上述半导体装置中，上述绝缘层也可以是由SiO2形成的绝缘层。
在上述半导体装置中，上述绝缘层的电阻率也可以是105Ω·cm以上。
在上述半导体装置中，上述绝缘层的厚度也可以是10nm～1μm的范围。
在上述半导体装置中，上述一个分离器也可以是由金属构成的分离器。
在上述半导体装置中，上述绝缘层也可以是由金属氧化膜构成的绝缘层。
在上述半导体装置中，上述半导体元件也可以包括第一电极和第二电极，上述第一电极和上述阳极分离器也可以电连接，上述第二电极和上述阴极分离器也可以电连接。
在上述半导体装置中，上述半导体元件是n沟道MOS晶体管，上述n沟道MOS晶体管的源极和基板电极与上述阴极分离器电连接，漏极和栅极与上述阴极分离器电连接。
在上述半导体装置中，上述半导体元件是p沟道MOS晶体管，上述p沟道MOS晶体管的源极和栅极与上述阳极分离器电连接，漏极和基板电极与上述阴极分离器电连接。
在上述半导体装置中，上述燃料电池也可以层叠多个包含上述阳极分离器和上述阴极分离器和上述膜电极结合体的单元。
本发明中具有燃料电池的半导体装置的制造方法，是包括通过一对分离器夹持膜电极结合体的构造的、具有燃料电池的半导体装置的制造方法，包括下列工序：
(i)在半导体基板的一个面上形成半导体元件的工序；
(ii)在上述半导体基板的与上述一个面相反侧的面上，形成流动燃料或者氧化剂的流路的工序；
(iii)将上述半导体基板作为从上述一对分离器中选择的一个分离器，在上述半导体基板上叠层上述膜电极结合体以便连接形成上述流路的面和上述膜电极结合体的工序。
在上述制造方法中，上述半导体基板也可以在上述一个面和上述相反面之间具有绝缘层。
在上述制造方法中，上述(i)工序也可以包括(a)在上述绝缘层上形成上述半导体元件，使得上述半导体元件和上述半导体基板通过在上述绝缘层中形成的电极电连接的工序。
本发明中具有燃料电池的半导体装置的其它制造方法，是包括通过一对分离器夹持膜电极结合体的构造的、具有燃料电池的半导体装置的制造方法，包括下列工序：
(i)在半导体基板的一个面上形成流动燃料或者氧化剂的流路的工序；
(ii)在上述半导体基板上与形成有上述流路的面相反的另一个面上形成半导体元件的工序；
(iii)将上述半导体基板作为从上述一对分离器中选择的一个分离器，以连接形成上述流路的面和上述膜电极结合体的方式，在上述半导体基板上叠层上述膜电极结合体的工序。
在上述制造方法中，上述半导体基板也可以在上述一个面和上述其它面之间具有绝缘层。
在上述制造方法中，上述(ii)工序也可以包括(A)在上述绝缘层上形成上述半导体元件，使得上述半导体元件和上述半导体基板通过在上述绝缘层中形成的电极电连接的工序。
附图说明
图1是表示本发明的具有燃料电池的半导体装置的一个例子的截面示意图。
图2是表示本发明的具有燃料电池的半导体装置的另外一个例子的截面示意图。
图3是表示本发明的具有燃料电池的半导体装置的另外一个例子的截面示意图。
图4A是表示本发明的具有燃料电池的半导体装置的燃料电池的一个例子的截面示意图。
图4B是从另外的角度来看图4A所示的燃料电池的示意图。
图4C是放大图4B所示的燃料电池的一部分的示意图。
图5是表示具有本发明的燃料电池的半导体装置中的燃料电池的一个例子的截面示意图。
图6是表示具有本发明的燃料电池的半导体装置中的燃料电池的一个例子的截面示意图。
图7A～图7H是表示本发明中具有燃料电池的半导体装置的制造方法的一个例子的工序截面图。
具体实施方式
下面说明本发明的实施方式。而且，在下面的实施方式中，对于相同的部分赋予相同的符号，省略了重复说明。
(实施方式1)
图1是表示本发明中具有燃料电池的半导体装置(下面称为半导体装置)的一个例子的截面示意图。图1所示的半导体装置具有燃料电池1和半导体元件2。燃料电池1包括：形成燃料的流路11的阳极分离器12；形成氧化剂的流路13的阴极分离器14；在阳极分离器12和阴极分离器14间夹持的膜电极结合体(MEA)15。另外，半导体元件2在从阳极分离器12和阴极分离器14中所选择的一个分离器的一个主面上形成(在图1所示的例子中，在阳极分离器12的一个主面上形成)，半导体元件2和上述一个分离器(即图1中的阳极分离器12)电连接。
在这样的半导体装置中，燃料电池和半导体元件是一体化的，另外，作为电源的燃料电池，能量密度高(例如，与作为代表的二次电池的锂二次电池相比能够大一位以上)，不需要随着消耗充电、交换等，具有如果供给燃料就能够开始快速发电等特点，所以能够成为小型的通用性优异的半导体装置。另外，由于基本上只要补充燃料就能够发电，所以与二次电池相比，可减小再利用的问题。
另外，在图1所示的例子中，半导体元件2在作为上述一个分离器的阳极分离器12的一个主面上所配置的绝缘层3上形成(即，在半导体元件2和上述一个分离器之间形成绝缘层3)，半导体元件2和上述一个分离器通过在绝缘层3中所形成的电极4电连接。
这样，通过在半导体元件2和所述一个分离器之间配置绝缘层3(在图1所示的例子中，在绝缘层3上形成半导体元件2)，能够减少半导体元件的面积，进一步提高了半导体元件的集成度。另外，能够构成即使电源电压是1V以下的低电压区域也能够高速操作的所谓的SOI(绝缘体上硅结构(Silicon On Insulator))晶体管。这样的SOI晶体管，已经在手表等方面实用化、商品化，但由于在1V以下进行操作，所以在燃料电池1是单体电池(Single Cell)的情况下也能够驱动。另外，由于也能够降低半导体元件2的消耗电力，所以能够更长时间地使电路工作，能够成为更小型且通用性优异的半导体装置。此外，由于绝缘层通常热传导率低，所以也能够抑制由燃料电池1所产生的热量传导到半导体元件2。
下面，说明图1所示的半导体装置的燃料电池1。
 燃料电池1包括由阳极分离器12和阴极分离器14夹持MEA15的构造。在阳极分离器12中形成燃料流路11，在阴极分离器14中形成氧化剂流路13。MEA15可与各个分离器的形成有上述流路的面接触。通过流路11和流路13，燃料和氧化剂提供给MEA15，由此进行发电。另外，阳极分离器12和阴极分离器14也充当作为MEA15所发生的电力的集电体的作用。
作为MEA15，如果能够通过供给燃料和氧化剂来发电，其构造、材料、尺寸、形状等不特别限定。发电所使用的燃料和氧化剂的种类、进行发电的温度区域，可根据作为必须的发电特性等任意地设定。作为MEA15的构造，例如可以是在由高分子电解质构成的膜151的两面，涂敷或者印刷阳极152和阴极153的构造。此外，根据需要也可以在MEA中附加扩散层等任意的层。
作为MEA15的材料，例如在使用氢气作为燃料，使用空气作为氧化剂的情况下，作为膜151可使用全氟乙烯磺酸类聚合物等具有氢离子传导性的高分子电解质，作为阳极152和阴极153可使用包括铂微粒的碳材料等。这种情况下，燃料电池1是所谓的PEFC(聚合高分子电解质燃料电池(PolyElectrolyte Fuel Cell))，能够在比较低温的区域(例如0℃～100℃的范围)进行发电。例如将发电温度设定在80℃以下，对半导体元件2的热影响能够抑制到最小限度。另外，对于PEFC，由于燃料电池中能量密度特别大，能够由更小型的燃料电池得到需要的电力，所以能够成为更小型的且通用性优异的半导体装置。
关于提供给燃料电池1的燃料和氧化剂，只要燃料电池1能够发电，不特别限定。进行发电的温度区域根据作为必须的发电特性可任意地设定。作为氧化剂，例如，可以使用空气。作为燃料，例如不仅可使用氢气等气体，也可以使用甲醇等液体。在使用甲醇作为燃料的情况下，燃料电池1成为作为PEFC的一种的DMFC(直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell))。这种情况下，与使用氢等气体作为燃料的情况相比，能够更容易地进行燃料的供给。
另外，作为对燃料电池1的提供燃料和氧化剂的方法，不特别限定。例如，对各个分离器的流路使用泵等装置来提供。另外，在使用空气作为氧化剂的情况下，也可以将阴极分离器的流路向大气开放。关于将上述流路向大气开放的情况下的例子中，将在后面的实施方式3中加以说明。
在图1所示的半导体装置中，作为阳极分离器12所使用的材料，具有作为集电体的功能(即具有一定程度以上的导电性)，而且，只要能够在其一个主面上形成绝缘层3，就不特别限定。而且，为了具有作为集电体的功能，对于电阻率，例如可使用100Ω·cm以下范围的材料。具体地说，例如，可以使用由石墨等碳构成的基板、或者不锈钢等金属构成的基板、半导体基板等来形成阳极分离器12。
另外，作为阴极分离器14所使用的材料，如果具有作为集电体的功能(即，如上所述，如果具有一定程度以上的导电性)，就不特别限定。具体地说，例如，也可以使用石墨等碳构成的基板、或不锈钢等金属构成的基板、半导体基板等来形成阴极分离器14。而且，阳极分离器12和阴极分离器14所使用的材料，可以相同也可以不同。
不管是阳极分离器12还是阴极分离器14，作为分离器所使用的半导体基板，可以使用例如由结晶硅构成的半导体基板。但是，在使用纯粹的结晶硅的情况下，要考虑到作为集电体没有足够的导电性的情况。这种情况下，例如可使用通过掺杂IIb族元素、IIIb族元素、Vb族元素、VIb族元素等杂质来增加导电性的半导体基板。而且，上述杂质的掺杂可以对半导体基板整体进行，也可以仅对必需的部分进行。
在对结晶硅掺杂杂质的情况下，根据杂质的种类，成为具有n型或者p型导电型的半导体基板。作为分离器，如果上述导电型是左右的，可使用p型、n型的任一个。阳极分离器和阴极分离器的导电型可以是相同的导电型也可以是不同的导电型。
其中优选阳极分离器12由n型半导体基板形成，阴极分离器14由p型半导体基板形成。这种情况下，由于能够从阳极向阴极更平滑地流动电子，所以能够进一步提高燃料电池1的特性。由此，能够成为通用性更优异的半导体装置。
另外，作为半导体基板，例如可以使用由包含GaN、GaP、GaAs等IIIb族元素和Vb族元素的化合物半导体构成的基板。另外，也可以使用由包含ZnS、ZnSe等IIb族元素和VIb族元素的化合物半导体构成的基板。
如果利用半导体基板来形成分离器，由于能够通过应用半导体加工工序来细微加工流路等，所以能够形成例如整体厚度不到1.5mm这样的薄型燃料电池。另外，半导体基板化学性质稳定，在考虑PEFC处于强酸性环境下的燃料的流路中也能够将分离器的腐蚀抑制到最小限度。另外，由于燃料不透过半导体基板，所以即使在形成细微的分离器的情况下，也能够通过分离器将燃料的泄漏抑制到最小限度。此外，由于制造中能够利用已有的半导体加工工序，所以能够与半导体元件一体形成，能够制造生产性更好的半导体装置。
另外，特别是结晶硅，作为原料的硅是丰富的地球资源，具有对人体无害、便宜等各种优点。此外，由结晶硅构成的半导体基板，厚度均匀性和表面平坦性优异，通过硅极细微加工技术的组合，能够非常精密地加工。另外，如果利用半导体生产线一块处理大口径硅晶片，由于能够在同一晶片上同时形成大量的分离器，所以能够以更低成本来制造分离器。
另外，对于市售的结晶硅基板，例如有电阻率是约10mΩ·cm以下的基板。在利用这样的基板来形成分离器的情况下，例如将分离器的厚度设为650μm，那么每单位面积的分离器的电阻值是约65mΩ/cm2(不考虑接触电阻)。通过这样，由结晶硅基板形成的分离器，作为燃料电池的集电体具有充分的功能。例如，在输出电流密度100mA/cm2的电流的情况下，分离器中的电阻过电压是约6.5mV，与燃料电池的输出电压(例如，在燃料使用氢的情况下，开放电压(OCV)约为1.1V)相比非常小。
在图1所示的半导体装置中，作为阳极分离器12和阴极分离器14的厚度，只要能够形成燃料和氧化剂的流路，不特别限定。在利用半导体基板来形成分离器的情况下，例如是10μm～1mm的范围。具体地说，例如，在使用一般的6英寸硅基板来形成分离器的情况下，分离器的厚度是约650μm。
另外，燃料和氧化剂的流路的大小、形状和流路所占分离器的面积的比例等，只要能够对MEA供给燃料和氧化剂，就不特别限定。分离器本身的厚度可以根据必要的发电特性等任意地设定。例如，在图1所示的例子中，每个分离器形成13个流路，但流路的个数能够自由地设定。也可以通过将一个流路形成折叠的形状来形成流路。
在由半导体基板来形成分离器的情况下，例如，可以形成宽度是10μm～200μm的范围、深度是10μm～500μm的范围、流路彼此的间隔(间距)是10μm～100μm的范围的矩形的流路。
而且，在图1所示的例子中，形成、配置各个分离器，使得燃料流路的方向和氧化剂流路的方向互相平行，但本发明的半导体装置不特别限于该构造。各个流路也可以以任意的角度相对，例如，可使得各个流路正交地来形成、配置分离器。
在图1所示的半导体装置中，在作为上述一个分离器的阳极分离器12和MEA15之间，可配置降低阳极分离器12和MEA15的接触电阻的接触层16。
在这样的半导体装置中，由于能够降低燃料电池1的电阻过电压，所以能够进一步提高燃料电池1的特性。因此，能够成为通用性更优异的半导体装置。而且，如图1所示，可以在阴极分离器14和MEA15之间配置上述接触层。接触层的厚度是例如0.01μm～10μm的范围，优选的是0.01μm～0.5μm的范围。另外，接触层不需要在分离器的整个面上配置，配置接触层的区域能够任意设定。
作为接触层16，如果能够降低分离器和MEA的接触电阻，就不特别限定。例如，在利用半导体基板来形成分离器的情况下，在半导体基板上形成具有与上述半导体基板相同的导电型的退缩的杂质扩散层，可以是接触层。作为形成上述杂质扩散层的方法，例如可以在剂量是1014/cm2以上的范围向结晶硅基板等半导体基板上离子注入、扩散作为杂质的磷(P)、砷(As)、硼(B)等。另外，可以在上述杂质扩散层上进而还叠层形成金属硅化物层，将杂质扩散层和金属硅化物层的叠层膜作为接触层。另外，上述叠层体根据需要还可以包括其它层。作为金属硅化物层，例如可以是由铂硅化物、钴硅化物、钼硅化物、镍硅化物等构成的层。而且，形成这样的接触层的具体方法的一个例子在后面的实施形式6加以描述。
下面，说明图1所示的半导体装置的绝缘层3。
作为绝缘层3所使用的材料，如果能够在半导体元件2和阳极分离器12之间形成，就不特别限定。例如，可以使用SiO2、玻璃、金属氧化膜等。使用的材料的电阻率可例如在105Ω·cm以上的范围。绝缘层3例如可通过将上述材料贴在阳极分离器上来形成。
在阳极分离器12利用由结晶硅构成的半导体基板形成的情况下，绝缘层3可以是由例如SiO2构成的绝缘层。这种情况下，也能够通过市售的SOI(绝缘膜上硅(Silicon On Insulator))基板加工来形成阳极分离器12、绝缘层3和半导体元件2，能够成为更稳定、通用性优异的半导体装置。另外，能够制造生产性更好的半导体装置。
在利用由金属构成的基板来形成阳极分离器12的情况下，绝缘层3例如可以是由上述金属氧化膜构成的绝缘层。这种情况下，由于绝缘层3能够通过氧化处理由上述金属构成的基板表面来形成，所以能够成为更稳定、通用性优异的半导体装置。另外，能够制造生产性更好的半导体装置。此外，由于分离器本身是金属，所以能够成为具有μΩ·cm级的非常小的电阻率的分离器，作为燃料电池能够使电阻过电压更小。
同样，在绝缘层3所使用的材料是将阳极分离器12所使用的材料氧化的情况下，能够通过将阳极分离器12的表面氧化来形成绝缘层3，所以能够制造生产性更好的半导体装置。
作为绝缘层3的厚度，只要能够保持阳极分离器12和半导体元件2的绝缘体，就不特别限定。例如，可以是10nm以上。阳极分离器12利用由结晶硅构成的半导体基板来形成，在绝缘层3由SiO2构成的情况下，绝缘层3的厚度例如是10nm～1μm的范围。而且，由于绝缘层3的热传导率一般较小，所以通过加大绝缘层3的厚度，也能够抑制来自燃料电池1的热量传导到半导体元件2。
另外，绝缘层3具有在内部形成电极4(通过电极4，半导体元件2和阳极分离器12电连接)的孔(Via Hole)。上述孔的大小可以根据电极4的大小来设定，不特别限定。例如，其截面积可在1μm2以下的范围。另外，图1所示的绝缘层3仅具有一个上述孔，但其个数不特别限定。根据需要可是多个。作为电极4所使用的材料，例如可使用钨、铝、铜等。可与半导体元件2的元件布线63一体化。
下面，说明图1所示的半导体装置的半导体元件2。
在图1所示的半导体装置中，作为半导体元件2，由n沟道MOS晶体管21和p沟道MOS晶体管22构成的CMOS反相器元件在结晶硅层51上形成。上述CMOS反相器是一般的CMOS反相器，包括：p阱接触层52、n阱接触层53、p型源极54、p型漏极55、n型漏极56、n型源极57、栅极绝缘膜58、n型栅极59、p型栅极60、元件分离绝缘膜61、层间绝缘膜62、元件布线63、p阱64和n阱65。上述各个区域所使用的材料、各个区域的厚度和大小等，不特别限定。例如，可以与一般的半导体元件相同。
在图1所示的例子中，作为半导体元件的CMOS反相器元件在结晶硅层51上形成。这种情况下，如果绝缘层3是由SiO2构成的绝缘层，那么通过市售的SOI基板的加工也能够形成阳极分离器12、绝缘层3和半导体元件2，能够成为更稳定、通用性优异的半导体装置。另外，能够制造生产性更好的半导体装置。作为结晶硅层51的厚度，不特别限定。例如，是0.01μm～10μm的范围。另外，作为结晶硅层的电阻率，例如是1mΩ·cm～1kΩ·cm的范围。
本发明的半导体装置中的半导体元件，包含第一电极和第二电极，所述第一电极可和所述阳极分离器电连接，所述第二电极可和所述阴极分离器电连接。例如，如图1所示的例子中，作为半导体元件的CMOS反相器元件的接地电位电极(图1中所示的Vss)通过在绝缘层3中所形成的电极4与阳极分离器12电连接。通过该路径对CMOS反相器元件的负载电路供给电子。另外，CMOS反相器元件的电源供给电极(图1中所示的VDD)通过外部布线66与阴极分离器14电连接。来自燃料电池1的电流，通过外部布线66流入CMOS反相器元件的电源供给电极。而且，如图1所示，CMOS反相器元件的输入和输出电极是Vin和Vout。另外，电极4和接地电位电极Vss也可以一体化。
在图1所示的半导体装置中，在由半导体基板形成阳极分离器12的情况下，可以在电极4和阳极分离器12之间配置上述接触层和金属薄膜层。能够降低电极4和阳极分离器12的接触电阻。同样地，在利用半导体基板来形成阴极分离器14的情况下，也可以在外部布线66和阴极分离器14之间配置上述接触层和金属薄膜层。在这样的半导体装置中，由于燃料电池1中所发生的电力更有效地传送到半导体元件2中，所以能够成为更小型的通用性优异的半导体装置。而且，这种情况下的接触层的厚度例如是0.01μm～10μm的范围，配置接触层的区域能够任意地设定。
本发明的半导体装置中的半导体元件的种类不特别限定。例如，可以形成MOS晶体管、双极性晶体管、发光二极管、半导体激光器等。而且，图1所示的半导体元件2是硅半导体元件，但可以是使用其它材料的半导体元件，例如，可以是由GaN或者SiC等形成的化合物半导体元件。由于这样的化合物半导体元件也能够在100℃以上的温度区域来使用，所以能够与以比一般的PEFC更高温度来操作的类型的燃料电池一体化。另外，半导体元件可以使用一般的半导体元件形成法来形成。
而且，在图1所示的例子中，半导体元件2形成在阳极分离器12的一个主面上，但本发明的半导体装置不特别限于这种构成。例如，可以将半导体元件2形成在阴极分离器14的一个主面上。另外，在本发明的半导体装置中，包含第一和第二半导体元件，第一半导体元件在阳极分离器的一个主面上形成，第二半导体元件在阴极分离器的一个主面上形成。即，可以在阳极分离器和阴极分离器两者的一个主面上形成半导体元件。这种情况下，能够成为更小型的通用性优异的半导体装置。
另外，在图1所示的例子中，在燃料电池1和半导体元件2之间配置绝缘层3，但本发明的半导体装置不特别限于这种构成。也可以在阳极分离器的一个主面上直接形成半导体元件。在分离器上直接形成半导体元件的情况下，也可以由半导体基板来形成上述分离器。而且，半导体元件的形成不限于在阳极分离器上。也可以在阴极分离器的一个主面上形成半导体元件，也可以在阳极分离器和阴极分离器两者的一个主面上形成半导体元件。
而且，本发明的半导体装置能够用于图1所示的电子电路装置或者光源、电源、微电机、微型传感器等。
(实施方式2)
图2是表示本发明的半导体装置的其它例子的截面示意图。
图2所示的半导体装置具有燃料电池1和半导体元件2。燃料电池1包括：阳极分离器12；阴极分离器14；夹持在阳极分离器12和阴极分离器14之间的MEA15。另外，在各个分离器和MEA15之间配置接触层16，能够将通过MEA15产生的电力更有效地集电。
另外，半导体元件2形成在阳极分离器12的一主面上配置的绝缘层3上，半导体元件2和阳极分离器12通过在绝缘层3中所形成的电极4电连接。
半导体元件2是n沟道MOS晶体管元件，包括：p阱接触层52、n型漏极56、n型源极57、栅极绝缘膜58、n型栅极59、元件分离绝缘膜61、层间绝缘膜62、元件布线63和p阱64。如图2所示那样，上述n沟道MOS晶体管元件的源极和基板电极通过电极4与阳极分离器12电连接，漏极和栅极通过外部布线66与阴极分离器14电连接。在外部布线66的中途，连接供给通过燃料电池1所产生的电力的外部负载。
在这样的半导体装置中，在燃料电池1的输出电压是n沟道MOS晶体管元件的阈值的电压以上时，晶体管元件为常时ON，能够对外部负载提供电力。但是，在燃料电池1的输出电压是上述阈值的电压以下的情况下，晶体管元件为OFF，停止对外部负载的电力供给。例如，如果将上述阈值设定为燃料电池的下限电压(能够安全发电的最低电压)，就能够防止由燃料电池的故障导致的电子设备的误操作，和由于燃料电池的电压的过于降低导致的燃料电池的破损。另外，通过将晶体管元件的沟道尺寸设定为适当的值，也能够形成具有限制燃料电池1的输出电流的功能的半导体装置(电源)。而且，晶体管元件的阈值电压能够通过调节p阱64的杂质扩散浓度或者栅极绝缘膜58的膜厚、n型栅极59的材质(功函数)来进行控制。
图3是表示本发明的半导体装置的其它例子的截面示意图。
图3所示的半导体装置是将图2所示的半导体装置的半导体元件2由n沟道MOS晶体管元件变更为p沟道MOS晶体管元件的半导体装置。
图3所示的半导体元件2是p沟道MOS晶体管元件，包括：n阱接触层53；p型源极54；p型漏极55；栅极绝缘膜58；p型栅极60；元件分离绝缘膜61；层间绝缘膜62；元件布线63和n阱65。如图3所示那样，上述p沟道MOS晶体管元件的源极和栅极通过电极4与阳极分离器12电连接，漏极和基板电极通过外部布线66与阴极分离器14电连接。在外部布线66的中途，连接供给通过燃料电池1发生的电力的外部负载。利用这样的半导体装置，能够得到与图2所示的半导体装置同样的效果。
通常情况下，由于PEFC中单个单元的输出电压是1V左右以下，所以，在半导体装置中实际使用燃料电池时，要考虑下列情况，附加用于匹配半导体元件中使用电压和燃料电池的输出电压的接口电路(DC-DC转换器电路等)或者燃料电池的输出控制电路(电压限制电路或者电流限制电路)等。此时，象本实施方式的半导体装置那样，通过将燃料电池和包含上述电路的半导体元件一体化，能够成为更小型且通用性优异的半导体装置。
而且，本实施方式的半导体装置的各个部分所使用的材料和各个部分的厚度、大小等，与实施方式1所示的内容相同。
(实施方式3)
图4A是表示本发明的半导体装置的燃料电池的其它例子的截面示意图。
图4A所示的燃料电池1，包括阳极分离器12；阴极分离器14；夹持在阳极分离器12和阴极分离器14之间的MEA15。另外，在阴极分离器14设置开口部17，阴极分离器14的流路向大气开放。
在这样的燃料电池中，通过自然置换对MEA提供作为氧化剂的空气，能够省略供给氧化剂的泵等装置。为此，通过使用这样的燃料电池，能够成为更小型的通用性优异的半导体装置。
另外，在利用半导体基板来形成阴极分离器14的情况下，也可通过半导体加工工序来形成开口部17。在使用半导体加工工序的情况下，由于能够进行细微成形，例如，如图4B和图4C所示那样，能够将开口部17加工成格子状。如果将开口部17形成为格子状，能够抑制从外部向分离器的流路侵入垃圾或者尘埃。图4B是从图4A中的X方向来看图4A所示的燃料电池1的示意图。图4C是放大图4B所示的开口部17的一部分(图4B中的圆圈部分)的示意图。开口部17中图4C所示的Y部分相当于实际开口的部分，通过上述Y部能够对MEA的阴极提供空气。
开口部17的宽度和长度、将开口部17形成为格子状情况下的图4C所示的Y部的大小、在开口部17所包含的Y部的个数等不特别限定。阴极分离器的大小，根据必要的电池特性等，能够任意地设定。为了防止向流路中侵入通常的尘埃，可以将Y部的开口部分的面积设定为例如100μm2～1000μm2的范围内。例如，在开口部17的宽度是200μm的情况下，将Y部的开口部分的面积设定为100μm2，将相邻的Y部彼此的间隔设定为5μm。另外，加工成格子状的部分的厚度可以任意设定。
而且，本实施方式的燃料电池的各个部分所使用的材料和各个部分的厚度、大小等与实施方式1所示的内容相同。
(实施方式4)
图5是表示本发明的半导体装置的燃料电池的其它例子的截面示意图。
图5所示的燃料电池1是叠层多个包含阳极分离器12、阴极分离器14和MEA15的单个单元的燃料电池。另外，在图5所示的燃料电池1中，除了两端的分离器，阳极分离器和阴极分离器一体化为分离器18。在分离器18的一个主面上形成燃料的流路11，在与上述一主面相反侧的主面上形成氧化剂的流路13。分离器18充当阳极分离器和阴极分离器两者的作用，另外，通过分离器18，各个单个单元串联连接。
通过形成这样的燃料电池，能够使电池的发电面积保持基本一定地增大输出电压。例如，在图5所示的例子中，由于串联连接3个单元，燃料电池的输出电压为单个单元的大约3倍。另外，通过具有这样的叠层单个单元的燃料电池，能够形成通用性更优异的半导体装置。而且，单个单元的叠层数不限于图5所示的3个单元，根据必要的电池特性能够任意地设定。
而且，如图5所示那样，在叠层单个单元时，不一定使用将阳极分离器和阴极分离器一体化的分离器18。例如，也可以将单个单元彼此单独叠层。此时，也可以在各个单个单元间配置用于冷却燃料电池的层。另外，本实施方式的燃料电池的各个部分所使用的材料和各个部分的厚度、大小等，与实施方式1所示的内容相同。
(实施方式5)
图6是表示本发明的半导体装置的燃料电池的其它例子的截面示意图。
图6所示的燃料电池包括：阳极分离器12；阴极分离器14；夹持在阳极分离器12和阴极分离器14之间的MEA15。另外，在阴极分离器14的氧化剂的流路中，形成防水处理层19。
在PEFC中，具有对MEA提供加湿的燃料或者氧化剂的情况，另外，由于通过发电产生水等，液体水滞留(溢流(flooding))到燃料或者氧化剂的流路(特别是氧化剂的流路)中。在水滞留到流路中的情况下，妨碍了向MEA提供燃料或者氧化剂，具有降低发电性能的可能性。特别是，作为阴极分离器，在使用实施方式3所示那样的大气开放型分离器的情况下，由于不能强制地提供作为氧化剂的空气，所以引起溢流的可能性提高。另外，即使在以高电流密度来使燃料电池发电的情况下，由于生成的水的量增加，所以容易导致溢流。如图6所示的燃料电池1那样，通过在阴极分离器14的氧化剂的流路中形成防水处理层19，能够更有效地从氧化剂的流路中排出水，所以能够形成通用性更优异的燃料电池。另外，通过具有这样的燃料电池，能够形成通用性更优异的半导体装置。
作为防水处理层19，只要具有防水效果，就不特别限定。例如，也可以通过旋涂涂敷在分离器流路中形成HMDS(六甲基二硅氮烷(Hexamethyldisilazane)层。另外，通过由结晶硅构成的半导体基板来形成分离器的情况下，也可以通过激光照射或者在超高真空中的热处理等来形成防水处理层。这种情况下，通过激光等在结晶硅的表面形成几nm级的凹凸，通过这些凹凸能够得到防水效果。
而且，在图6所示的燃料电池1中，仅在阴极分离器14上形成防水处理层，但也可以在阳极处理器12上形成防水处理层。另外，本实施方式的燃料电池的各个部分所使用的材料和各个部分的厚度、大小等与实施方式1所示的内容相同。
(实施方式6)
在本实施方式中，说明了本发明的半导体装置的制造方法。而且，本实施方式的半导体装置的各个部分所使用的材料和各个部分的厚度、大小等与实施方式1所示的内容相同。
本发明的半导体装置的制造方法，是包括通过一对分离器夹持MEA的构造的、具有燃料电池的半导体装置的制造方法，包括：
(i)在半导体基板的一个面上形成半导体元件的工序；
(ii)在上述半导体基板的与上述一个面相反的面上，形成流动燃料或者氧化剂的流路的工序；
(iii)将上述半导体基板作为从上述一对分离器中选择的一个分离器，在上述半导体基板上叠层上述MEA，使得形成上述流路的面和上述MEA相接的工序。
这样的制造方法能够使用半导体加工工序来实施。为此，能够生产性更好地制造燃料电池和半导体元件一体化的小型的通用性优异的半导体装置。另外，作为半导体基板如果使用大口径的硅晶片，能够一次制造大量的半导体装置，这种情况下，能够以更低的成本来制造半导体装置。
在上述制造方法中，上述半导体基板在上述一个面和上述相反面之间也可以具有绝缘层。
另外，在上述制造方法中，上述(i)的工序也可以包括：
(a)在上述绝缘层上形成上述半导体元件，使得上述半导体元件和上述半导体基板通过在上述绝缘层中形成的电极来电连接的工序。
使用图7A～图7H来说明该制造方法的一个例子。而且，下面说明的制造方法是在阳极分离器上形成半导体元件的半导体装置的制造方法，但在阴极分离器上形成半导体元件的半导体装置的制造方法的情况也是相同的。
最初，形成叠层半导体基板7、绝缘层3、结晶硅层8的叠层体(图7A)。上述叠层体也可以通过堆积各个层来形成，但是，例如，也可以使用市售的SOI基板(例如，SOITEC公司制造，UNIBOND基板)。各个层的厚度根据作为半导体装置的必要特征可以任意地设定。由于半导体基板7最终成为阳极分离器，所以作为其材料，可以与实施方式1中阳极分离器所使用的半导体基板相同。另外，在结晶硅层8上形成半导体元件，最终形成实施方式1的结晶硅层51。例如，上述市售的UNIBOND基板的一个例子中，半导体基板7是导电型n型、面方位(001)、定位平面的方位(110)、电阻率10mΩ·cm的半导体基板、厚度能够为650μm。绝缘层3由SiO2构成，厚度是400nm。结晶硅层8厚度是200nm。
接着，在绝缘层3上形成的结晶硅层8上形成半导体元件2(图7B)。在图7B所示的例子中，作为半导体元件2，形成图1所示的CMOS反相器元件。图7B所示的半导体元件2的各个部分基本上与图1所示的半导体元件2相同，对相同的部分赋予相同的符号。但是，图7B所示的半导体元件2还包括由等离子氮化膜构成的钝化膜67，另外，之后设置用于连接外部布线的开口部68。另外，在绝缘层3上形成电连接半导体元件2和半导体基板7的电极4，在电极4和半导体基板7之间，配置降低两者的接触电阻的接触层69。
作为在绝缘层3上形成半导体元件2的工序，可以使用一般的半导体元件形成工序(在图7B所示的例子中，CMOS反相器元件形成工序)。另外，对于半导体元件2的各个部分和接触层69，可以使用实施方式1所示的材料。电极4和元件布线63也可以一体化形成。
下面，相对以上这样得到的半导体元件2、绝缘层3和半导体基板7的叠层体，在半导体基板7的形成绝缘层3和半导体元件2的面的相反面上，以下面的顺序来形成流动燃料的流路11。
首先，将上述叠层体浸入5wt％左右的稀氟酸30秒左右，除去半导体基板7上的自然氧化膜。接着，将半导体基板7的上述相反面作为工序处理面，加速As原子离子注入(例如，在加速电压10keV～100keV的范围，剂量1014cm-2～1016cm-2的范围注入)，此外进行急速加热处理(例如，200℃，1分钟)，由此形成导电型是n型的退缩的As扩散层70(图7C)。As扩散层70的厚度例如是0.01μm～10μm的范围，优选的是0.01μm～0.5μm的范围。
接着，使用溅射法或真空蒸镀法在As扩散层70上堆积镍膜，此外，进行急速加热处理(例如，400℃，1分钟，但热处理温度不到半导体元件2内的元件布线43的熔点)，由此形成硅化镍膜71(图7D)。As扩散层70和硅化镍膜71的叠层膜就成为接触层16。此时，通过改变注入到半导体基板7中的杂质原子，或者改变堆积到杂质扩散层70上的原子，能够控制接触层16的组成。而且，堆积的镍膜的厚度例如是0.01μm～10μm的范围，优选的是0.01μm～0.5μm的范围。另外，此时能够形成厚度0.01μm～10μm范围(或者0.01μm～0.5μm的范围)的硅化镍膜。
接着，在接触层16上，形成与形成的流路形状匹配的抗蚀图案72(厚度例如是30μm)(图7E)，之后，进行干蚀刻处理等，由此在半导体基板7上形成燃料的流路。此时，通过控制抗蚀图案72的形状和蚀刻处理的时间，能够控制燃料的流路的宽度和深度。之后，通过除去抗蚀图案72，在一个主面上形成绝缘层3和半导体元件2，而且，在与上述一个主面相反的面上能够得到形成燃料的流路11的阳极分离器12(图7F)。
使用与阳极分离器12的形成不同的上述图7C～图7F所示的方法相同的方法，形成其形成有氧化剂流路13和接触层16的阴极分离器14(图7G)。与阳极分离器12的形成不同，例如可以从在单层半导体基板上形成杂质扩散层的工序开始进行。
最后，如上述那样，叠层准备的阳极分离器12，阴极分离器14和另外准备的MEA15，使得形成有各个分离器的流路的面和MEA15相接(图7H)。在叠层时，根据需要也可以施加压力和温度，也可以由树脂覆盖整体。之后，通过使用外部布线来连接阴极分离器14和半导体元件2，能够得到图1所示的半导体装置。
而且，本发明的半导体装置的制造方法，在上述阳极分离器的制造工序中，也可以以相反的顺序来进行半导体元件的形成和燃料流路的形成(即可以在最初形成燃料的流路后进行半导体元件的形成)。
本发明只要不脱离其意图和本质特征，可适用于其它实施方式。该说明书所公开的实施方式是所有说明的内容，但不限于这些。本发明的范围不是上述说明，而是通过权利要求限定的，处于与权利要求均等意义的范围内的所有变更都包括在内。
产业上的可利用性
象上述那样，根据本发明，能够得到小型的通用性优异的具有燃料电池的半导体装置。另外，能够生产性更好地制造具有上述燃料电池的半导体装置，能够提供具有燃料电池的半导体装置的制造方法。本发明的半导体装置能够用于电子电路装置、电源、光源、微电机、微型传感器等。

Claims (20)

1.一种具有燃料电池的半导体装置，包括燃料电池和半导体元件，
所述燃料电池包括：形成有燃料流路的板状的阳极分离器；形成有氧化剂流路的板状的阴极分离器；所述阳极分离器和所述阴极分离器所夹持的膜电极结合体，
所述半导体元件形成于半导体层上，该半导体层隔着绝缘层配置于从所述阳极分离器和所述阴极分离器中所选择的一个分离器的一个主面上，
所述膜电极结合体连接在与形成有所述半导体元件的一个分离器的一个主面相反的一侧的面上，所述阳极分离器和所述阴极分离器充当作为所述膜电极结合体所发生的电力的集电体的作用，
所述半导体元件和所述一个分离器电连接。
2.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
包括第一和第二半导体元件，
所述第一半导体元件在所述阳极分离器的一个主面上形成，
所述第二半导体元件在所述阴极分离器的一个主面上形成。
3.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述一个分离器由半导体基板来形成。
4.根据权利要求3所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述半导体基板由结晶硅构成。
5.根据权利要求3所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述半导体基板由包含IIIb族元素和Vb族元素的化合物半导体构成。
6.根据权利要求3所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述半导体基板由包含IIb族元素和VIb族元素的化合物半导体构成。
7.根据权利要求3所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述阳极分离器由n型半导体基板形成，所述阴极分离器由p型半导体基板来形成。
8.根据权利要求3所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
在所述一个分离器和所述膜电极结合体之间，配置使所述一个分离器和所述膜电极结合体的接触电阻减少的接触层。
9.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述半导体元件和所述一个分离器通过在所述绝缘层中形成的电极来电连接。
10.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述绝缘层由SiO2形成。
11.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述绝缘层的电阻率在105Ω·cm以上。
12.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述绝缘层的厚度是10nm～1μm的范围。
13.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述一个分离器由金属构成。
14.根据权利要求13所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述绝缘层由所述金属的氧化膜构成。
15.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述半导体元件包括第一电极和第二电极，
所述第一电极和所述阳极分离器电连接，
所述第二电极和所述阴极分离器电连接。
16.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述半导体元件是n沟道MOS晶体管，所述n沟道MOS晶体管的源极和基板电极与所述阳极分离器电连接，漏极和栅极与所述阴极分离器电连接。
17.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述半导体元件是p沟道MOS晶体管，所述p沟道MOS晶体管的源极和栅极与所述阳极分离器电连接，漏极和基板电极与所述阴极分离器电连接。
18.根据权利要求1所述的具有燃料电池的半导体装置，其特征在于，
所述燃料电池层叠多个包含所述阳极分离器、所述阴极分离器和所述膜电极结合体的单元。
19.一种具有燃料电池的半导体装置的制造方法，该半导体装置包括燃料电池和半导体元件，
所述燃料电池包括：形成有燃料流路的板状的阳极分离器；形成有氧化剂流路的板状的阴极分离器；所述阳极分离器和所述阴极分离器所夹持的膜电极结合体，
所述半导体元件形成于半导体层上，该半导体层隔着绝缘层配置于从所述阳极分离器和所述阴极分离器中所选择的一个分离器的一个主面上，
所述膜电极结合体连接在与形成有所述半导体元件的一个分离器的一个主面相反的一侧的面上，所述阳极分离器和所述阴极分离器充当作为所述膜电极结合体所发生的电力的集电体的作用，
所述半导体元件和所述一个分离器电连接，
该制造方法包括下列工序：
(i)在半导体基板的一个面上形成所述半导体元件的工序；
(ii)在所述半导体基板的与所述一个面相反侧的面上，形成流动燃料或者氧化剂流动的所述流路的工序；和
(iii)将所述半导体基板作为从所述一对分离器中选择的所述一个分离器，在所述半导体基板上叠层所述膜电极结合体以便连接形成有所述流路的面和所述膜电极结合体的工序，
其中，在所述半导体基板的所述一个面和所述半导体元件之间具有绝缘层，所述(i)的工序是按照所述半导体元件和所述半导体基板通过在所述绝缘层中形成的电极电连接的方式在所述绝缘层上形成所述半导体元件的工序。
20.一种具有燃料电池的半导体装置的制造方法，该半导体装置包括燃料电池和半导体元件，
所述燃料电池包括：形成有燃料流路的板状的阳极分离器；形成有氧化剂流路的板状的阴极分离器；所述阳极分离器和所述阴极分离器所夹持的膜电极结合体，
所述半导体元件形成于半导体层上，该半导体层隔着绝缘层配置于从所述阳极分离器和所述阴极分离器中所选择的一个分离器的一个主面上，
所述膜电极结合体连接在与形成有所述半导体元件的一个分离器的一个主面相反的一侧的面上，所述阳极分离器和所述阴极分离器充当作为所述膜电极结合体所发生的电力的集电体的作用，
所述半导体元件和所述一个分离器电连接，
该制造方法包括下列工序：
(i)在半导体基板的一个面上形成流动燃料或者氧化剂流动的所述流路的工序；
(ii)在所述半导体基板上与形成有所述流路的面相反的另一个面上形成所述半导体元件的工序；和
(iii)将所述半导体基板作为从所述一对分离器中选择的所述一个分离器，在所述半导体基板上叠层所述膜电极结合体以便连接形成所述流路的面和所述膜电极结合体的工序，
其中所述半导体基板在所述半导体元件和所述另一面之间具有绝缘层，所述(ii)工序为按照所述半导体元件和所述半导体基板通过在所述绝缘层中形成的电极电连接的方式在所述绝缘层上形成所述半导体元件的工序。
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