具有燃料電池的半導體裝置及其製造方法
2023-07-18 12:46:56 3
專利名稱：具有燃料電池的半導體裝置及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種具有燃料電池的半導體裝置及其製造方法。
背景技術：
現在，作為具有半導體元件的器件的半導體裝置在電子器件等各種領域廣泛使用，其用途越來越擴大。另外，近些年來，以微電機等為代表的微小的半導體裝置引起注意。
如果這樣的半導體裝置本身具有電源(即，如果是具有電源的半導體裝置)，就能夠成為通用性更優異的半導體裝置。這種情況下，作為電源也能夠使用鋰電池等通常使用的二次電池。但是，在現在的二次電池技術中，在輸出特性上，與半導體元件相比需要大尺寸的電源。為此，具有電源的半導體裝置的小型化具有極限。另外，在電池耗盡的情況下，由於需要充電或者交換，所以在通用性方面也存在問題。此外，可預想到二次電池的再利用在將來是非常大的社會問題。由這樣的狀況，希望實現更小型的且通用性優異的具有電源的半導體裝置。
發明內容
這裡，本發明的目的在於，提供一種小型的且通用性優異，具有燃料電池作為電源的半導體裝置及其製造方法。
為了實現上述目的，本發明的具有燃料電池的半導體裝置(下面，簡稱為「半導體裝置」)，具有燃料電池和半導體元件。
上述燃料電池包括形成有燃料流路的陽極分離器；形成有氧化劑流路的陰極分離器；上述陽極分離器和上述陰極分離器所夾持的膜電極結合體，上述半導體元件在從上述陽極分離器和上述陰極分離器中所選擇的一個分離器的一個主面上形成，上述半導體元件和上述一個分離器電連接。
在上述半導體裝置中，包括第一和第二半導體元件，上述第一半導體元件可在上述陽極分離器的一個主面上形成，上述第二半導體元件可在上述陰極分離器的一個主面上形成。
在上述半導體裝置中，上述第一分離器也可以由半導體基板來形成。
在上述半導體裝置中，上述半導體基板也可以是由結晶矽構成的半導體基板。
在上述半導體裝置中，上述半導體基板也可以是由包含IIIb族元素和Vb族元素的化合物半導體構成的半導體基板。
在上述半導體裝置中，上述半導體基板也可以是由包含IIb族元素和VIb族元素的化合物半導體構成的半導體基板。
在上述半導體裝置中，上述陽極分離器也可以由n型半導體基板形成，上述陰極分離器也可以由p型半導體基板來形成。
在上述半導體裝置中，在上述一個分離器和上述膜電極結合體之間，也可以配置減少上述一個分離器和上述膜電極結合體的接觸電阻的接觸層。
在上述半導體裝置中，在上述半導體元件和上述一個分離器之間也可以形成絕緣層。
在上述半導體裝置中，上述半導體元件和上述一個分離器也可以通過在上述絕緣層中形成的電極來電連接。
在上述半導體裝置中，上述絕緣層也可以是由SiO2形成的絕緣層。
在上述半導體裝置中，上述絕緣層的電阻率也可以是105Ω·cm以上。
在上述半導體裝置中，上述絕緣層的厚度也可以是10nm～1μm的範圍。
在上述半導體裝置中，上述一個分離器也可以是由金屬構成的分離器。
在上述半導體裝置中，上述絕緣層也可以是由金屬氧化膜構成的絕緣層。
在上述半導體裝置中，上述半導體元件也可以包括第一電極和第二電極，上述第一電極和上述陽極分離器也可以電連接，上述第二電極和上述陰極分離器也可以電連接。
在上述半導體裝置中，上述半導體元件是n溝道MOS電晶體，上述n溝道MOS電晶體的源極和基板電極與上述陰極分離器電連接，漏極和柵極與上述陰極分離器電連接。
在上述半導體裝置中，上述半導體元件是p溝道MOS電晶體，上述p溝道MOS電晶體的源極和柵極與上述陽極分離器電連接，漏極和基板電極與上述陰極分離器電連接。
在上述半導體裝置中，上述燃料電池也可以層疊多個包含上述陽極分離器和上述陰極分離器和上述膜電極結合體的單元。
本發明中具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，是包括通過一對分離器夾持膜電極結合體的構造的、具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，包括下列工序(i)在半導體基板的一個面上形成半導體元件的工序；(ii)在上述半導體基板的與上述一個面相反側的面上，形成流動燃料或者氧化劑的流路的工序；(iii)將上述半導體基板作為從上述一對分離器中選擇的一個分離器，在上述半導體基板上疊層上述膜電極結合體以便連接形成上述流路的面和上述膜電極結合體的工序。
在上述製造方法中，上述半導體基板也可以在上述一個面和上述相反面之間具有絕緣層。
在上述製造方法中，上述(i)工序也可以包括(a)在上述絕緣層上形成上述半導體元件，使得上述半導體元件和上述半導體基板通過在上述絕緣層中形成的電極電連接的工序。
本發明中具有燃料電池的半導體裝置的其它製造方法，是包括通過一對分離器夾持膜電極結合體的構造的、具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，包括下列工序(i)在半導體基板的一個面上形成流動燃料或者氧化劑的流路的工序；(ii)在上述半導體基板上與形成有上述流路的面相反的另一個面上形成半導體元件的工序；(iii)將上述半導體基板作為從上述一對分離器中選擇的一個分離器，以連接形成上述流路的面和上述膜電極結合體的方式，在上述半導體基板上疊層上述膜電極結合體的工序。
在上述製造方法中，上述半導體基板也可以在上述一個面和上述其它面之間具有絕緣層。
在上述製造方法中，上述(ii)工序也可以包括(A)在上述絕緣層上形成上述半導體元件，使得上述半導體元件和上述半導體基板通過在上述絕緣層中形成的電極電連接的工序。
圖1是表示本發明的具有燃料電池的半導體裝置的一個例子的截面示意圖。
圖2是表示本發明的具有燃料電池的半導體裝置的另外一個例子的截面示意圖。
圖3是表示本發明的具有燃料電池的半導體裝置的另外一個例子的截面示意圖。
圖4A是表示本發明的具有燃料電池的半導體裝置的燃料電池的一個例子的截面示意圖。
圖4B是從另外的角度來看圖4A所示的燃料電池的示意圖。
圖4C是放大圖4B所示的燃料電池的一部分的示意圖。
圖5是表示具有本發明的燃料電池的半導體裝置中的燃料電池的一個例子的截面示意圖。
圖6是表示具有本發明的燃料電池的半導體裝置中的燃料電池的一個例子的截面示意圖。
圖7A～圖7H是表示本發明中具有燃料電池的半導體裝置的製造方法的一個例子的工序截面圖。
具體實施例方式
下面說明本發明的實施方式。而且，在下面的實施方式中，對於相同的部分賦予相同的符號，省略了重複說明。
(實施方式1)圖1是表示本發明中具有燃料電池的半導體裝置(下面稱為半導體裝置)的一個例子的截面示意圖。圖1所示的半導體裝置具有燃料電池1和半導體元件2。燃料電池1包括形成燃料的流路11的陽極分離器12；形成氧化劑的流路13的陰極分離器14；在陽極分離器12和陰極分離器14間夾持的膜電極結合體(MEA)15。另外，半導體元件2在從陽極分離器12和陰極分離器14中所選擇的一個分離器的一個主面上形成(在圖1所示的例子中，在陽極分離器12的一個主面上形成)，半導體元件2和上述一個分離器(即圖1中的陽極分離器12)電連接。
在這樣的半導體裝置中，燃料電池和半導體元件是一體化的，另外，作為電源的燃料電池，能量密度高(例如，與作為代表的二次電池的鋰二次電池相比能夠大一位以上)，不需要隨著消耗充電、交換等，具有如果供給燃料就能夠開始快速發電等特點，所以能夠成為小型的通用性優異的半導體裝置。另外，由於基本上只要補充燃料就能夠發電，所以與二次電池相比，可減小再利用的問題。
另外，在圖1所示的例子中，半導體元件2在作為上述一個分離器的陽極分離器12的一個主面上所配置的絕緣層3上形成(即，在半導體元件2和上述一個分離器之間形成絕緣層3)，半導體元件2和上述一個分離器通過在絕緣層3中所形成的電極4電連接。
這樣，通過在半導體元件2和所述一個分離器之間配置絕緣層3(在圖1所示的例子中，在絕緣層3上形成半導體元件2)，能夠減少半導體元件的面積，進一步提高了半導體元件的集成度。另外，能夠構成即使電源電壓是1V以下的低電壓區域也能夠高速操作的所謂的SOI(絕緣體上矽結構(Silicon On Insulator))電晶體。這樣的SOI電晶體，已經在手錶等方面實用化、商品化，但由於在1V以下進行操作，所以在燃料電池1是單體電池(Single Cell)的情況下也能夠驅動。另外，由於也能夠降低半導體元件2的消耗電力，所以能夠更長時間地使電路工作，能夠成為更小型且通用性優異的半導體裝置。此外，由於絕緣層通常熱傳導率低，所以也能夠抑制由燃料電池1所產生的熱量傳導到半導體元件2。
下面，說明圖1所示的半導體裝置的燃料電池1。
燃料電池1包括由陽極分離器12和陰極分離器14夾持MEA15的構造。在陽極分離器12中形成燃料流路11，在陰極分離器14中形成氧化劑流路13。MEA15可與各個分離器的形成有上述流路的面接觸。通過流路11和流路13，燃料和氧化劑提供給MEA15，由此進行發電。另外，陽極分離器12和陰極分離器14也充當作為MEA15所發生的電力的集電體的作用。
作為MEA15，如果能夠通過供給燃料和氧化劑來發電，其構造、材料、尺寸、形狀等不特別限定。發電所使用的燃料和氧化劑的種類、進行發電的溫度區域，可根據作為必須的發電特性等任意地設定。作為MEA15的構造，例如可以是在由高分子電解質構成的膜151的兩面，塗敷或者印刷陽極152和陰極153的構造。此外，根據需要也可以在MEA中附加擴散層等任意的層。
作為MEA15的材料，例如在使用氫氣作為燃料，使用空氣作為氧化劑的情況下，作為膜151可使用全氟乙烯磺酸類聚合物等具有氫離子傳導性的高分子電解質，作為陽極152和陰極153可使用包括鉑微粒的碳材料等。這種情況下，燃料電池1是所謂的PEFC(聚合高分子電解質燃料電池(PolyElectrolyte Fuel Cell))，能夠在比較低溫的區域(例如0℃～100℃的範圍)進行發電。例如將發電溫度設定在80℃以下，對半導體元件2的熱影響能夠抑制到最小限度。另外，對於PEFC，由於燃料電池中能量密度特別大，能夠由更小型的燃料電池得到需要的電力，所以能夠成為更小型的且通用性優異的半導體裝置。
關於提供給燃料電池1的燃料和氧化劑，只要燃料電池1能夠發電，不特別限定。進行發電的溫度區域根據作為必須的發電特性可任意地設定。作為氧化劑，例如，可以使用空氣。作為燃料，例如不僅可使用氫氣等氣體，也可以使用甲醇等液體。在使用甲醇作為燃料的情況下，燃料電池1成為作為PEFC的一種的DMFC(直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell))。這種情況下，與使用氫等氣體作為燃料的情況相比，能夠更容易地進行燃料的供給。
另外，作為對燃料電池1的提供燃料和氧化劑的方法，不特別限定。例如，對各個分離器的流路使用泵等裝置來提供。另外，在使用空氣作為氧化劑的情況下，也可以將陰極分離器的流路向大氣開放。關於將上述流路向大氣開放的情況下的例子中，將在後面的實施方式3中加以說明。
在圖1所示的半導體裝置中，作為陽極分離器12所使用的材料，具有作為集電體的功能(即具有一定程度以上的導電性)，而且，只要能夠在其一個主面上形成絕緣層3，就不特別限定。而且，為了具有作為集電體的功能，對於電阻率，例如可使用100Ω·cm以下範圍的材料。具體地說，例如，可以使用由石墨等碳構成的基板、或者不鏽鋼等金屬構成的基板、半導體基板等來形成陽極分離器12。
另外，作為陰極分離器14所使用的材料，如果具有作為集電體的功能(即，如上所述，如果具有一定程度以上的導電性)，就不特別限定。具體地說，例如，也可以使用石墨等碳構成的基板、或不鏽鋼等金屬構成的基板、半導體基板等來形成陰極分離器14。而且，陽極分離器12和陰極分離器14所使用的材料，可以相同也可以不同。
不管是陽極分離器12還是陰極分離器14，作為分離器所使用的半導體基板，可以使用例如由結晶矽構成的半導體基板。但是，在使用純粹的結晶矽的情況下，要考慮到作為集電體沒有足夠的導電性的情況。這種情況下，例如可使用通過摻雜IIb族元素、IIIb族元素、Vb族元素、VIb族元素等雜質來增加導電性的半導體基板。而且，上述雜質的摻雜可以對半導體基板整體進行，也可以僅對必需的部分進行。
在對結晶矽摻雜雜質的情況下，根據雜質的種類，成為具有n型或者p型導電型的半導體基板。作為分離器，如果上述導電型是左右的，可使用p型、n型的任一個。陽極分離器和陰極分離器的導電型可以是相同的導電型也可以是不同的導電型。
其中優選陽極分離器12由n型半導體基板形成，陰極分離器14由p型半導體基板形成。這種情況下，由於能夠從陽極向陰極更平滑地流動電子，所以能夠進一步提高燃料電池1的特性。由此，能夠成為通用性更優異的半導體裝置。
另外，作為半導體基板，例如可以使用由包含GaN、GaP、GaAs等IIIb族元素和Vb族元素的化合物半導體構成的基板。另外，也可以使用由包含ZnS、ZnSe等IIb族元素和VIb族元素的化合物半導體構成的基板。
如果利用半導體基板來形成分離器，由於能夠通過應用半導體加工工序來細微加工流路等，所以能夠形成例如整體厚度不到1.5mm這樣的薄型燃料電池。另外，半導體基板化學性質穩定，在考慮PEFC處於強酸性環境下的燃料的流路中也能夠將分離器的腐蝕抑制到最小限度。另外，由於燃料不透過半導體基板，所以即使在形成細微的分離器的情況下，也能夠通過分離器將燃料的洩漏抑制到最小限度。此外，由於製造中能夠利用已有的半導體加工工序，所以能夠與半導體元件一體形成，能夠製造生產性更好的半導體裝置。
另外，特別是結晶矽，作為原料的矽是豐富的地球資源，具有對人體無害、便宜等各種優點。此外，由結晶矽構成的半導體基板，厚度均勻性和表面平坦性優異，通過矽極細微加工技術的組合，能夠非常精密地加工。另外，如果利用半導體生產線一塊處理大口徑矽晶片，由於能夠在同一晶片上同時形成大量的分離器，所以能夠以更低成本來製造分離器。
另外，對於市售的結晶矽基板，例如有電阻率是約10mΩ·cm以下的基板。在利用這樣的基板來形成分離器的情況下，例如將分離器的厚度設為650μm，那麼每單位面積的分離器的電阻值是約65mΩ/cm2(不考慮接觸電阻)。通過這樣，由結晶矽基板形成的分離器，作為燃料電池的集電體具有充分的功能。例如，在輸出電流密度100mA/cm2的電流的情況下，分離器中的電阻過電壓是約6.5mV，與燃料電池的輸出電壓(例如，在燃料使用氫的情況下，開放電壓(OCV)約為1.1V)相比非常小。
在圖1所示的半導體裝置中，作為陽極分離器12和陰極分離器14的厚度，只要能夠形成燃料和氧化劑的流路，不特別限定。在利用半導體基板來形成分離器的情況下，例如是10μm～1mm的範圍。具體地說，例如，在使用一般的6英寸矽基板來形成分離器的情況下，分離器的厚度是約650μm。
另外，燃料和氧化劑的流路的大小、形狀和流路所佔分離器的面積的比例等，只要能夠對MEA供給燃料和氧化劑，就不特別限定。分離器本身的厚度可以根據必要的發電特性等任意地設定。例如，在圖1所示的例子中，每個分離器形成13個流路，但流路的個數能夠自由地設定。也可以通過將一個流路形成摺疊的形狀來形成流路。
在由半導體基板來形成分離器的情況下，例如，可以形成寬度是10μm～200μm的範圍、深度是10μm～500μm的範圍、流路彼此的間隔(間距)是10μm～100μm的範圍的矩形的流路。
而且，在圖1所示的例子中，形成、配置各個分離器，使得燃料流路的方向和氧化劑流路的方向互相平行，但本發明的半導體裝置不特別限於該構造。各個流路也可以以任意的角度相對，例如，可使得各個流路正交地來形成、配置分離器。
在圖1所示的半導體裝置中，在作為上述一個分離器的陽極分離器12和MEA15之間，可配置降低陽極分離器12和MEA15的接觸電阻的接觸層16。
在這樣的半導體裝置中，由於能夠降低燃料電池1的電阻過電壓，所以能夠進一步提高燃料電池1的特性。因此，能夠成為通用性更優異的半導體裝置。而且，如圖1所示，可以在陰極分離器14和MEA15之間配置上述接觸層。接觸層的厚度是例如0.01μm～10μm的範圍，優選的是0.01μm～0.5μm的範圍。另外，接觸層不需要在分離器的整個面上配置，配置接觸層的區域能夠任意設定。
作為接觸層16，如果能夠降低分離器和MEA的接觸電阻，就不特別限定。例如，在利用半導體基板來形成分離器的情況下，在半導體基板上形成具有與上述半導體基板相同的導電型的退縮的雜質擴散層，可以是接觸層。作為形成上述雜質擴散層的方法，例如可以在劑量是1014/cm2以上的範圍向結晶矽基板等半導體基板上離子注入、擴散作為雜質的磷(P)、砷(As)、硼(B)等。另外，可以在上述雜質擴散層上進而還疊層形成金屬矽化物層，將雜質擴散層和金屬矽化物層的疊層膜作為接觸層。另外，上述疊層體根據需要還可以包括其它層。作為金屬矽化物層，例如可以是由鉑矽化物、鈷矽化物、鉬矽化物、鎳矽化物等構成的層。而且，形成這樣的接觸層的具體方法的一個例子在後面的實施形式6加以描述。
下面，說明圖1所示的半導體裝置的絕緣層3。
作為絕緣層3所使用的材料，如果能夠在半導體元件2和陽極分離器12之間形成，就不特別限定。例如，可以使用SiO2、玻璃、金屬氧化膜等。使用的材料的電阻率可例如在105Ω·cm以上的範圍。絕緣層3例如可通過將上述材料貼在陽極分離器上來形成。
在陽極分離器12利用由結晶矽構成的半導體基板形成的情況下，絕緣層3可以是由例如SiO2構成的絕緣層。這種情況下，也能夠通過市售的SOI(絕緣膜上矽(Silicon On Insulator))基板加工來形成陽極分離器12、絕緣層3和半導體元件2，能夠成為更穩定、通用性優異的半導體裝置。另外，能夠製造生產性更好的半導體裝置。
在利用由金屬構成的基板來形成陽極分離器12的情況下，絕緣層3例如可以是由上述金屬氧化膜構成的絕緣層。這種情況下，由於絕緣層3能夠通過氧化處理由上述金屬構成的基板表面來形成，所以能夠成為更穩定、通用性優異的半導體裝置。另外，能夠製造生產性更好的半導體裝置。此外，由於分離器本身是金屬，所以能夠成為具有μΩ·cm級的非常小的電阻率的分離器，作為燃料電池能夠使電阻過電壓更小。
同樣，在絕緣層3所使用的材料是將陽極分離器12所使用的材料氧化的情況下，能夠通過將陽極分離器12的表面氧化來形成絕緣層3，所以能夠製造生產性更好的半導體裝置。
作為絕緣層3的厚度，只要能夠保持陽極分離器12和半導體元件2的絕緣體，就不特別限定。例如，可以是10nm以上。陽極分離器12利用由結晶矽構成的半導體基板來形成，在絕緣層3由SiO2構成的情況下，絕緣層3的厚度例如是10nm～1μm的範圍。而且，由於絕緣層3的熱傳導率一般較小，所以通過加大絕緣層3的厚度，也能夠抑制來自燃料電池1的熱量傳導到半導體元件2。
另外，絕緣層3具有在內部形成電極4(通過電極4，半導體元件2和陽極分離器12電連接)的孔(Via Hole)。上述孔的大小可以根據電極4的大小來設定，不特別限定。例如，其截面積可在1μm2以下的範圍。另外，圖1所示的絕緣層3僅具有一個上述孔，但其個數不特別限定。根據需要可是多個。作為電極4所使用的材料，例如可使用鎢、鋁、銅等。可與半導體元件2的元件布線63一體化。
下面，說明圖1所示的半導體裝置的半導體元件2。
在圖1所示的半導體裝置中，作為半導體元件2，由n溝道MOS電晶體21和p溝道MOS電晶體22構成的CMOS反相器元件在結晶矽層51上形成。上述CMOS反相器是一般的CMOS反相器，包括p阱接觸層52、n阱接觸層53、p型源極54、p型漏極55、n型漏極56、n型源極57、柵極絕緣膜58、n型柵極59、p型柵極60、元件分離絕緣膜61、層間絕緣膜62、元件布線63、p阱64和n阱65。上述各個區域所使用的材料、各個區域的厚度和大小等，不特別限定。例如，可以與一般的半導體元件相同。
在圖1所示的例子中，作為半導體元件的CMOS反相器元件在結晶矽層51上形成。這種情況下，如果絕緣層3是由SiO2構成的絕緣層，那麼通過市售的SOI基板的加工也能夠形成陽極分離器12、絕緣層3和半導體元件2，能夠成為更穩定、通用性優異的半導體裝置。另外，能夠製造生產性更好的半導體裝置。作為結晶矽層51的厚度，不特別限定。例如，是0.01μm～10μm的範圍。另外，作為結晶矽層的電阻率，例如是1mΩ·cm～1kΩ·cm的範圍。
本發明的半導體裝置中的半導體元件，包含第一電極和第二電極，所述第一電極可和所述陽極分離器電連接，所述第二電極可和所述陰極分離器電連接。例如，如圖1所示的例子中，作為半導體元件的CMOS反相器元件的接地電位電極(圖1中所示的Vss)通過在絕緣層3中所形成的電極4與陽極分離器12電連接。通過該路徑對CMOS反相器元件的負載電路供給電子。另外，CMOS反相器元件的電源供給電極(圖1中所示的VDD)通過外部布線66與陰極分離器14電連接。來自燃料電池1的電流，通過外部布線66流入CMOS反相器元件的電源供給電極。而且，如圖1所示，CMOS反相器元件的輸入和輸出電極是Vin和Vout。另外，電極4和接地電位電極Vss也可以一體化。
在圖1所示的半導體裝置中，在由半導體基板形成陽極分離器12的情況下，可以在電極4和陽極分離器12之間配置上述接觸層和金屬薄膜層。能夠降低電極4和陽極分離器12的接觸電阻。同樣地，在利用半導體基板來形成陰極分離器14的情況下，也可以在外部布線66和陰極分離器14之間配置上述接觸層和金屬薄膜層。在這樣的半導體裝置中，由於燃料電池1中所發生的電力更有效地傳送到半導體元件2中，所以能夠成為更小型的通用性優異的半導體裝置。而且，這種情況下的接觸層的厚度例如是0.01μm～10μm的範圍，配置接觸層的區域能夠任意地設定。
本發明的半導體裝置中的半導體元件的種類不特別限定。例如，可以形成MOS電晶體、雙極性電晶體、發光二極體、半導體雷射器等。而且，圖1所示的半導體元件2是矽半導體元件，但可以是使用其它材料的半導體元件，例如，可以是由GaN或者SiC等形成的化合物半導體元件。由於這樣的化合物半導體元件也能夠在100℃以上的溫度區域來使用，所以能夠與以比一般的PEFC更高溫度來操作的類型的燃料電池一體化。另外，半導體元件可以使用一般的半導體元件形成法來形成。
而且，在圖1所示的例子中，半導體元件2形成在陽極分離器12的一個主面上，但本發明的半導體裝置不特別限於這種構成。例如，可以將半導體元件2形成在陰極分離器14的一個主面上。另外，在本發明的半導體裝置中，包含第一和第二半導體元件，第一半導體元件在陽極分離器的一個主面上形成，第二半導體元件在陰極分離器的一個主面上形成。即，可以在陽極分離器和陰極分離器兩者的一個主面上形成半導體元件。這種情況下，能夠成為更小型的通用性優異的半導體裝置。
另外，在圖1所示的例子中，在燃料電池1和半導體元件2之間配置絕緣層3，但本發明的半導體裝置不特別限於這種構成。也可以在陽極分離器的一個主面上直接形成半導體元件。在分離器上直接形成半導體元件的情況下，也可以由半導體基板來形成上述分離器。而且，半導體元件的形成不限於在陽極分離器上。也可以在陰極分離器的一個主面上形成半導體元件，也可以在陽極分離器和陰極分離器兩者的一個主面上形成半導體元件。
而且，本發明的半導體裝置能夠用於圖1所示的電子電路裝置或者光源、電源、微電機、微型傳感器等。
(實施方式2)圖2是表示本發明的半導體裝置的其它例子的截面示意圖。
圖2所示的半導體裝置具有燃料電池1和半導體元件2。燃料電池1包括陽極分離器12；陰極分離器14；夾持在陽極分離器12和陰極分離器14之間的MEA15。另外，在各個分離器和MEA15之間配置接觸層16，能夠將通過MEA15產生的電力更有效地集電。
另外，半導體元件2形成在陽極分離器12的一主面上配置的絕緣層3上，半導體元件2和陽極分離器12通過在絕緣層3中所形成的電極4電連接。
半導體元件2是n溝道MOS電晶體元件，包括p阱接觸層52、n型漏極56、n型源極57、柵極絕緣膜58、n型柵極59、元件分離絕緣膜61、層間絕緣膜62、元件布線63和p阱64。如圖2所示那樣，上述n溝道MOS電晶體元件的源極和基板電極通過電極4與陽極分離器12電連接，漏極和柵極通過外部布線66與陰極分離器14電連接。在外部布線66的中途，連接供給通過燃料電池1所產生的電力的外部負載。
在這樣的半導體裝置中，在燃料電池1的輸出電壓是n溝道MOS電晶體元件的閾值的電壓以上時，電晶體元件為常時ON，能夠對外部負載提供電力。但是，在燃料電池1的輸出電壓是上述閾值的電壓以下的情況下，電晶體元件為OFF，停止對外部負載的電力供給。例如，如果將上述閾值設定為燃料電池的下限電壓(能夠安全發電的最低電壓)，就能夠防止由燃料電池的故障導致的電子設備的誤操作，和由於燃料電池的電壓的過於降低導致的燃料電池的破損。另外，通過將電晶體元件的溝道尺寸設定為適當的值，也能夠形成具有限制燃料電池1的輸出電流的功能的半導體裝置(電源)。而且，電晶體元件的閾值電壓能夠通過調節p阱64的雜質擴散濃度或者柵極絕緣膜58的膜厚、n型柵極59的材質(功函數)來進行控制。
圖3是表示本發明的半導體裝置的其它例子的截面示意圖。
圖3所示的半導體裝置是將圖2所示的半導體裝置的半導體元件2由n溝道MOS電晶體元件變更為p溝道MOS電晶體元件的半導體裝置。
圖3所示的半導體元件2是p溝道MOS電晶體元件，包括n阱接觸層53；p型源極54；p型漏極55；柵極絕緣膜58；p型柵極60；元件分離絕緣膜61；層間絕緣膜62；元件布線63和n阱65。如圖3所示那樣，上述p溝道MOS電晶體元件的源極和柵極通過電極4與陽極分離器12電連接，漏極和基板電極通過外部布線66與陰極分離器14電連接。在外部布線66的中途，連接供給通過燃料電池1發生的電力的外部負載。利用這樣的半導體裝置，能夠得到與圖2所示的半導體裝置同樣的效果。
通常情況下，由於PEFC中單個單元的輸出電壓是1V左右以下，所以，在半導體裝置中實際使用燃料電池時，要考慮下列情況，附加用於匹配半導體元件中使用電壓和燃料電池的輸出電壓的接口電路(DC-DC轉換器電路等)或者燃料電池的輸出控制電路(電壓限制電路或者電流限制電路)等。此時，象本實施方式的半導體裝置那樣，通過將燃料電池和包含上述電路的半導體元件一體化，能夠成為更小型且通用性優異的半導體裝置。
而且，本實施方式的半導體裝置的各個部分所使用的材料和各個部分的厚度、大小等，與實施方式1所示的內容相同。
(實施方式3)圖4A是表示本發明的半導體裝置的燃料電池的其它例子的截面示意圖。
圖4A所示的燃料電池1，包括陽極分離器12；陰極分離器14；夾持在陽極分離器12和陰極分離器14之間的MEA15。另外，在陰極分離器14設置開口部17，陰極分離器14的流路向大氣開放。
在這樣的燃料電池中，通過自然置換對MEA提供作為氧化劑的空氣，能夠省略供給氧化劑的泵等裝置。為此，通過使用這樣的燃料電池，能夠成為更小型的通用性優異的半導體裝置。
另外，在利用半導體基板來形成陰極分離器14的情況下，也可通過半導體加工工序來形成開口部17。在使用半導體加工工序的情況下，由於能夠進行細微成形，例如，如圖4B和圖4C所示那樣，能夠將開口部17加工成格子狀。如果將開口部17形成為格子狀，能夠抑制從外部向分離器的流路侵入垃圾或者塵埃。圖4B是從圖4A中的X方向來看圖4A所示的燃料電池1的示意圖。圖4C是放大圖4B所示的開口部1 7的一部分(圖4B中的圓圈部分)的示意圖。開口部1 7中圖4C所示的Y部分相當於實際開口的部分，通過上述Y部能夠對MEA的陰極提供空氣。
開口部17的寬度和長度、將開口部17形成為格子狀情況下的圖4C所示的Y部的大小、在開口部17所包含的Y部的個數等不特別限定。陰極分離器的大小，根據必要的電池特性等，能夠任意地設定。為了防止向流路中侵入通常的塵埃，可以將Y部的開口部分的面積設定為例如100μm2～1000μm2的範圍內。例如，在開口部17的寬度是200μm的情況下，將Y部的開口部分的面積設定為100μm2，將相鄰的Y部彼此的間隔設定為5μm。另外，加工成格子狀的部分的厚度可以任意設定。
而且，本實施方式的燃料電池的各個部分所使用的材料和各個部分的厚度、大小等與實施方式1所示的內容相同。
(實施方式4)圖5是表示本發明的半導體裝置的燃料電池的其它例子的截面示意圖。
圖5所示的燃料電池1是疊層多個包含陽極分離器12、陰極分離器14和MEA15的單個單元的燃料電池。另外，在圖5所示的燃料電池1中，除了兩端的分離器，陽極分離器和陰極分離器一體化為分離器18。在分離器18的一個主面上形成燃料的流路11，在與上述一主面相反側的主面上形成氧化劑的流路13。分離器18充當陽極分離器和陰極分離器兩者的作用，另外，通過分離器18，各個單個單元串聯連接。
通過形成這樣的燃料電池，能夠使電池的發電面積保持基本一定地增大輸出電壓。例如，在圖5所示的例子中，由於串聯連接3個單元，燃料電池的輸出電壓為單個單元的大約3倍。另外，通過具有這樣的疊層單個單元的燃料電池，能夠形成通用性更優異的半導體裝置。而且，單個單元的疊層數不限於圖5所示的3個單元，根據必要的電池特性能夠任意地設定。
而且，如圖5所示那樣，在疊層單個單元時，不一定使用將陽極分離器和陰極分離器一體化的分離器18。例如，也可以將單個單元彼此單獨疊層。此時，也可以在各個單個單元間配置用於冷卻燃料電池的層。另外，本實施方式的燃料電池的各個部分所使用的材料和各個部分的厚度、大小等，與實施方式1所示的內容相同。
(實施方式5)圖6是表示本發明的半導體裝置的燃料電池的其它例子的截面示意圖。
圖6所示的燃料電池包括陽極分離器12；陰極分離器14；夾持在陽極分離器12和陰極分離器14之間的MEA15。另外，在陰極分離器14的氧化劑的流路中，形成防水處理層19。
在PEFC中，具有對MEA提供加溼的燃料或者氧化劑的情況，另外，由於通過發電產生水等，液體水滯留(溢流(flooding))到燃料或者氧化劑的流路(特別是氧化劑的流路)中。在水滯留到流路中的情況下，妨礙了向MEA提供燃料或者氧化劑，具有降低發電性能的可能性。特別是，作為陰極分離器，在使用實施方式3所示那樣的大氣開放型分離器的情況下，由於不能強制地提供作為氧化劑的空氣，所以引起溢流的可能性提高。另外，即使在以高電流密度來使燃料電池發電的情況下，由於生成的水的量增加，所以容易導致溢流。如圖6所示的燃料電池1那樣，通過在陰極分離器14的氧化劑的流路中形成防水處理層19，能夠更有效地從氧化劑的流路中排出水，所以能夠形成通用性更優異的燃料電池。另外，通過具有這樣的燃料電池，能夠形成通用性更優異的半導體裝置。
作為防水處理層19，只要具有防水效果，就不特別限定。例如，也可以通過旋塗塗敷在分離器流路中形成HMDS(六甲基二矽氮烷(Hexamethyldisilazane)層。另外，通過由結晶矽構成的半導體基板來形成分離器的情況下，也可以通過雷射照射或者在超高真空中的熱處理等來形成防水處理層。這種情況下，通過雷射等在結晶矽的表面形成幾nm級的凹凸，通過這些凹凸能夠得到防水效果。
而且，在圖6所示的燃料電池1中，僅在陰極分離器14上形成防水處理層，但也可以在陽極處理器12上形成防水處理層。另外，本實施方式的燃料電池的各個部分所使用的材料和各個部分的厚度、大小等與實施方式1所示的內容相同。
(實施方式6)在本實施方式中，說明了本發明的半導體裝置的製造方法。而且，本實施方式的半導體裝置的各個部分所使用的材料和各個部分的厚度、大小等與實施方式1所示的內容相同。
本發明的半導體裝置的製造方法，是包括通過一對分離器夾持MEA的構造的、具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，包括(i)在半導體基板的一個面上形成半導體元件的工序；(ii)在上述半導體基板的與上述一個面相反的面上，形成流動燃料或者氧化劑的流路的工序；(iii)將上述半導體基板作為從上述一對分離器中選擇的一個分離器，在上述半導體基板上疊層上述MEA，使得形成上述流路的面和上述MEA相接的工序。
這樣的製造方法能夠使用半導體加工工序來實施。為此，能夠生產性更好地製造燃料電池和半導體元件一體化的小型的通用性優異的半導體裝置。另外，作為半導體基板如果使用大口徑的矽晶片，能夠一次製造大量的半導體裝置，這種情況下，能夠以更低的成本來製造半導體裝置。
在上述製造方法中，上述半導體基板在上述一個面和上述相反面之間也可以具有絕緣層。
另外，在上述製造方法中，上述(i)的工序也可以包括(a)在上述絕緣層上形成上述半導體元件，使得上述半導體元件和上述半導體基板通過在上述絕緣層中形成的電極來電連接的工序。
使用圖7A～圖7H來說明該製造方法的一個例子。而且，下面說明的製造方法是在陽極分離器上形成半導體元件的半導體裝置的製造方法，但在陰極分離器上形成半導體元件的半導體裝置的製造方法的情況也是相同的。
最初，形成疊層半導體基板7、絕緣層3、結晶矽層8的疊層體(圖7A)。上述疊層體也可以通過堆積各個層來形成，但是，例如，也可以使用市售的SOI基板(例如，SOITEC公司製造，UNIBOND基板)。各個層的厚度根據作為半導體裝置的必要特徵可以任意地設定。由於半導體基板7最終成為陽極分離器，所以作為其材料，可以與實施方式1中陽極分離器所使用的半導體基板相同。另外，在結晶矽層8上形成半導體元件，最終形成實施方式1的結晶矽層51。例如，上述市售的UNIBOND基板的一個例子中，半導體基板7是導電型n型、面方位(001)、定位平面的方位(110)、電阻率10mΩ·cm的半導體基板、厚度能夠為650μm。絕緣層3由SiO2構成，厚度是400nm。結晶矽層8厚度是200nm。
接著，在絕緣層3上形成的結晶矽層8上形成半導體元件2(圖7B)。在圖7B所示的例子中，作為半導體元件2，形成圖1所示的CMOS反相器元件。圖7B所示的半導體元件2的各個部分基本上與圖1所示的半導體元件2相同，對相同的部分賦予相同的符號。但是，圖7B所示的半導體元件2還包括由等離子氮化膜構成的鈍化膜67，另外，之後設置用於連接外部布線的開口部68。另外，在絕緣層3上形成電連接半導體元件2和半導體基板7的電極4，在電極4和半導體基板7之間，配置降低兩者的接觸電阻的接觸層69。
作為在絕緣層3上形成半導體元件2的工序，可以使用一般的半導體元件形成工序(在圖7B所示的例子中，CMOS反相器元件形成工序)。另外，對於半導體元件2的各個部分和接觸層69，可以使用實施方式1所示的材料。電極4和元件布線63也可以一體化形成。
下面，相對以上這樣得到的半導體元件2、絕緣層3和半導體基板7的疊層體，在半導體基板7的形成絕緣層3和半導體元件2的面的相反面上，以下面的順序來形成流動燃料的流路11。
首先，將上述疊層體浸入5wt％左右的稀氟酸30秒左右，除去半導體基板7上的自然氧化膜。接著，將半導體基板7的上述相反面作為工序處理面，加速As原子離子注入(例如，在加速電壓10keV～100keV的範圍，劑量1014cm-2～1016cm-2的範圍注入)，此外進行急速加熱處理(例如，200℃，1分鐘)，由此形成導電型是n型的退縮的As擴散層70(圖7C)。As擴散層70的厚度例如是0.01μm～10μm的範圍，優選的是0.01μm～0.5μm的範圍。
接著，使用濺射法或真空蒸鍍法在As擴散層70上堆積鎳膜，此外，進行急速加熱處理(例如，400℃，1分鐘，但熱處理溫度不到半導體元件2內的元件布線43的熔點)，由此形成矽化鎳膜71(圖7D)。As擴散層70和矽化鎳膜71的疊層膜就成為接觸層16。此時，通過改變注入到半導體基板7中的雜質原子，或者改變堆積到雜質擴散層70上的原子，能夠控制接觸層16的組成。而且，堆積的鎳膜的厚度例如是0.01μm～10μm的範圍，優選的是0.01μm～0.5μm的範圍。另外，此時能夠形成厚度0.01μm～10μm範圍(或者0.01μm～0.5μm的範圍)的矽化鎳膜。
接著，在接觸層16上，形成與形成的流路形狀匹配的抗蝕圖案72(厚度例如是30μm)(圖7E)，之後，進行幹蝕刻處理等，由此在半導體基板7上形成燃料的流路。此時，通過控制抗蝕圖案72的形狀和蝕刻處理的時間，能夠控制燃料的流路的寬度和深度。之後，通過除去抗蝕圖案72，在一個主面上形成絕緣層3和半導體元件2，而且，在與上述一個主面相反的面上能夠得到形成燃料的流路11的陽極分離器12(圖7F)。
使用與陽極分離器12的形成不同的上述圖7C～圖7F所示的方法相同的方法，形成其形成有氧化劑流路13和接觸層16的陰極分離器14(圖7G)。與陽極分離器12的形成不同，例如可以從在單層半導體基板上形成雜質擴散層的工序開始進行。
最後，如上述那樣，疊層準備的陽極分離器12，陰極分離器14和另外準備的MEA15，使得形成有各個分離器的流路的面和MEA15相接(圖7H)。在疊層時，根據需要也可以施加壓力和溫度，也可以由樹脂覆蓋整體。之後，通過使用外部布線來連接陰極分離器14和半導體元件2，能夠得到圖1所示的半導體裝置。
而且，本發明的半導體裝置的製造方法，在上述陽極分離器的製造工序中，也可以以相反的順序來進行半導體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後進行半導體元件的形成)。
本發明只要不脫離其意圖和本質特徵，可適用於其它實施方式。該說明書所公開的實施方式是所有說明的內容，但不限於這些。本發明的範圍不是上述說明，而是通過權利要求限定的，處於與權利要求均等意義的範圍內的所有變更都包括在內。
產業上的可利用性象上述那樣，根據本發明，能夠得到小型的通用性優異的具有燃料電池的半導體裝置。另外，能夠生產性更好地製造具有上述燃料電池的半導體裝置，能夠提供具有燃料電池的半導體裝置的製造方法。本發明的半導體裝置能夠用於電子電路裝置、電源、光源、微電機、微型傳感器等。
權利要求
1.一種具有燃料電池的半導體裝置，包括燃料電池和半導體元件，所述燃料電池包括形成有燃料流路的陽極分離器；形成有氧化劑流路的陰極分離器；所述陽極分離器和所述陰極分離器所夾持的膜電極結合體，所述半導體元件形成於從所述陽極分離器和所述陰極分離器中所選擇的一個分離器的一個主面上，所述半導體元件和所述一個分離器電連接。
2.根據權利要求1所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，包括第一和第二半導體元件，所述第一半導體元件在所述陽極分離器的一個主面上形成，所述第二半導體元件在所述陰極分離器的一個主面上形成。
3.根據權利要求1所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述一個分離器由半導體基板來形成。
4.根據權利要求3所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體基板由結晶矽構成。
5.根據權利要求3所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體基板由包含IIIb族元素和Vb族元素的化合物半導體構成。
6.根據權利要求3所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體基板由包含IIb族元素和VIb族元素的化合物半導體構成。
7.根據權利要求3所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述陽極分離器由n型半導體基板形成，所述陰極分離器由p型半導體基板來形成。
8.根據權利要求3所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，在所述一個分離器和所述膜電極結合體之間，配置使所述一個分離器和所述膜電極結合體的接觸電阻減少的接觸層。
9.根據權利要求1所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，在所述半導體元件和所述一個分離器之間形成絕緣層。
10.根據權利要求9所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體元件和所述一個分離器通過在所述絕緣層中形成的電極來電連接。
11.根據權利要求9所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述絕緣層由SiO2形成。
12.根據權利要求9所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述絕緣層的電阻率在105Ω·cm以上。
13.根據權利要求9所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述絕緣層的厚度是10nm～1μm的範圍。
14.根據權利要求9所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述一個分離器由金屬構成。
15.根據權利要求14所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述絕緣層由所述金屬氧化膜構成。
16.根據權利要求1所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體元件包括第一電極和第二電極，所述第一電極和所述陽極分離器電連接，所述第二電極和所述陰極分離器電連接。
17.根據權利要求1所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體元件是n溝道MOS電晶體，所述n溝道MOS電晶體的源極和基板電極與所述陽極分離器電連接，漏極和柵極與所述陰極分離器電連接。
18.根據權利要求1所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述半導體元件是p溝道MOS電晶體，所述p溝道MOS電晶體的源極和柵極與所述陽極分離器電連接，漏極和基板電極與所述陰極分離器電連接。
19.根據權利要求1所述的具有燃料電池的半導體裝置，其特徵在於，所述燃料電池層疊多個包含所述陽極分離器、所述陰極分離器和所述膜電極結合體的單元。
20.一種具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，該半導體裝置包括通過一對分離器夾持膜電極結合體的構造，包括下列工序(i)在半導體基板的一個面上形成半導體元件的工序；(ii)在所述半導體基板的與所述一個面相反側的面上，形成流動燃料或者氧化劑的流路的工序；(iii)將所述半導體基板作為從所述一對分離器中選擇的一個分離器，在所述半導體基板上疊層所述膜電極結合體以便連接形成有所述流路的面和所述膜電極結合體的工序。
21.根據權利要求20所述的具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，所述半導體基板在所述一個面和所述相反側的面之間具有絕緣層。
22.根據權利要求21所述的具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，所述(i)的工序包括(a)在所述絕緣層上形成所述半導體元件，使得所述半導體元件和所述半導體基板通過在所述絕緣層中形成的電極電連接的工序。
23.一種具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，該半導體裝置包括通過一對分離器夾持膜電極結合體的構造，包括下列工序(i)在半導體基板的一個面上形成流動燃料或者氧化劑的流路的工序；(ii)在所述半導體基板上與形成有所述流路的面相反的另一個面上形成半導體元件的工序；(iii)將所述半導體基板作為從所述一對分離器中選擇的一個分離器，在所述半導體基板上疊層所述膜電極結合體以便連接形成所述流路的面和所述膜電極結合體的工序。
24.根據權利要求23所述的具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，所述半導體基板在所述一個面和所述另一面之間具有絕緣層。
25.根據權利要求24所述的具有燃料電池的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，所述(ii)工序包括(A)在所述絕緣層上形成所述半導體元件，使得所述半導體元件和所述半導體基板通過在所述絕緣層中形成的電極電連接的工序。
全文摘要
本發明的具有燃料電池的半導體裝置，包括燃料電池和半導體元件，所述燃料電池包括形成有燃料流路的陽極分離器；形成有氧化劑流路的陰極分離器；所述陽極分離器和所述陰極分離器所夾持的膜電極結合體，所述半導體元件在從所述陽極分離器和所述陰極分離器中所選擇的一個分離器的一個主面上形成，所述半導體元件和所述一個分離器電連接。通過形成這樣的具有燃料電池的半導體裝置，能夠形成更小型的通用性優異的具有燃料電池的半導體裝置。
文檔編號H01L27/06GK1625818SQ0380294
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月23日 優先權日2002年1月29日
發明者森木廉, 森田清之 申請人:松下電器產業株式會社