JPWO2003065487A1 - 燃料電池を備える半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の燃料電池を備える半導体装置は、燃料電池と半導体素子とを備え、前記燃料電池は、燃料の流路が形成されたアノードセパレータと、酸化剤の流路が形成されたカソードセパレータと、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータに狭持される膜電極接合体とを含み、前記半導体素子は、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータから選ばれる１つのセパレータの一主面上に形成されており、前記半導体素子と前記１つのセパレータとが電気的に接続されている。このような燃料電池を備える半導体装置とすることで、よりコンパクトで汎用性に優れる燃料電池を備える半導体装置とすることができる。

Description

技術分野
本発明は、燃料電池を備える半導体装置およびその製造方法に関する。
背景技術
現在、半導体素子を備えるデバイスである半導体装置は、電子機器などの様々な分野で広く用いられており、その用途はますます拡大し続けている。また、近年、マイクロマシンなどに代表される微小な半導体装置が注目を集めている。
このような半導体装置自体が電源を備えれば（即ち、電源を備える半導体装置であれば）、より汎用性に優れる半導体装置とすることができる。その場合、電源としてリチウム電池など一般的に使用されている二次電池を用いることもできる。しかし、現在の二次電池の技術では、出力特性上、半導体素子に比べてかなり大きいサイズの電源が必要である。このため、電源を備える半導体装置の小型化には限界がある。また、電池が消耗した場合、充電または交換する必要があるため、汎用性の点でも問題がある。さらに、二次電池のリサイクルは、将来、大変な社会問題となることが予想される。このような状況から、よりコンパクトで汎用性に優れた、電源を備える半導体装置の実現が望まれている。
発明の開示
そこで本発明は、コンパクトで汎用性に優れた、電源として燃料電池を備える半導体装置と、その製造方法とを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池を備える半導体装置（以下、単に「半導体装置」ともいう）は、燃料電池と半導体素子とを備え、
前記燃料電池は、燃料の流路が形成されたアノードセパレータと、酸化剤の流路が形成されたカソードセパレータと、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータに狭持される膜電極接合体とを含み、
前記半導体素子は、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータから選ばれる１つのセパレータの一主面上に形成されており、
前記半導体素子と前記１つのセパレータとが電気的に接続されている。
上記半導体装置では、第１および第２の半導体素子を含み、
前記第１の半導体素子が、前記アノードセパレータの一主面上に形成されており、
前記第２の半導体素子が、前記カソードセパレータの一主面上に形成されていてもよい。
上記半導体装置では、前記１つのセパレータが、半導体基板で形成されていてもよい。
上記半導体装置では、前記半導体基板が、結晶シリコンからなる半導体基板であってもよい。
上記半導体装置では、前記半導体基板が、ＩＩＩｂ族元素およびＶｂ族元素を含む化合物半導体からなる半導体基板であってもよい。
上記半導体装置では、前記半導体基板が、ＩＩｂ族元素およびＶＩｂ族元素を含む化合物半導体からなる半導体基板であってもよい。
上記半導体装置では、前記アノードセパレータがｎ形半導体基板で形成されており、前記カソードセパレータがｐ形半導体基板で形成されていてもよい。
上記半導体装置では、前記１つのセパレータと前記膜電極接合体との間に、前記１つのセパレータと前記膜電極接合体との接触抵抗を低減させるコンタクト層が配置されていてもよい。
上記半導体装置では、前記半導体素子と、前記１つのセパレータとの間には、絶縁層が形成されていてもよい。
上記半導体装置では、前記半導体素子と前記１つのセパレータとが、前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続されていてもよい。
上記半導体装置では、前記絶縁層が、ＳｉＯ_２からなる絶縁層であってもよい。
上記半導体装置では、前記絶縁層の比抵抗が、１０^５Ω・ｃｍ以上であってもよい。
上記半導体装置では、前記絶縁層の厚さが、１０ｎｍ〜１μｍの範囲であってもよい。
上記半導体装置では、前記１つのセパレータが、金属からなるセパレータであってもよい。
上記半導体装置では、前記絶縁層が、前記金属の酸化膜からなる絶縁層であってもよい。
上記半導体装置では、前記半導体素子は、第１の電極および第２の電極を含み、
前記第１の電極と前記アノードセパレータとが電気的に接続しており、
前記第２の電極と前記カソードセパレータとが電気的に接続していてもよい。
上記半導体装置では、前記半導体素子が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタであり、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタのソース電極および基板電極が前記アノードセパレータと電気的に接続しており、ドレイン電極およびゲート電極が前記カソードセパレータと電気的に接続していてもよい。
上記半導体装置では、前記半導体素子が、ｐチャネルＭＯＳトランジスタであり、前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタのソース電極およびゲート電極が前記アノードセパレータと電気的に接続しており、ドレイン電極および基板電極が前記カソードセパレータと電気的に接続していてもよい。
上記半導体装置では、前記燃料電池は、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータと前記膜電極接合体とを含むセルが複数積層されていてもよい。
本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法は、一対のセパレータによって膜電極接合体を狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
（ｉ）半導体基板の一方の面上に半導体素子を形成する工程と、
（ｉｉ）前記半導体基板における前記一方の面とは反対側の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含んでいる。
上記製造方法では、前記半導体基板が、前記一方の面と前記反対側の面との間に絶縁層を備えていてもよい。
上記製造方法では、前記（ｉ）の工程が、
（ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含んでいてもよい。
本発明における、燃料電池を備える半導体装置の別の製造方法は、一対のセパレータによって膜電極接合体を狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
（Ｉ）半導体基板の一方の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
（ＩＩ）前記半導体基板における前記流路が形成された面とは反対側の他方の面上に半導体素子を形成する工程と、
（ＩＩＩ）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含んでいる。
上記製造方法では、前記半導体基板が、前記一方の面と前記他方の面との間に絶縁層を備えていてもよい。
上記製造方法では、前記（ＩＩ）の工程が、
（Ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含んでいてもよい。
発明を実施するための形態
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
図１は、本発明における、燃料電池を備える半導体装置（以下、半導体装置、ともいう）の一例を示す模式断面図である。図１に示す半導体装置は、燃料電池１と半導体素子２とを備えている。燃料電池１は、燃料の流路１１が形成されたアノードセパレータ１２と、酸化剤の流路１３が形成されたカソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持される膜電極接合体（ＭＥＡ）１５とを含んでいる。また、半導体素子２は、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４から選ばれる１つのセパレータの一主面上に形成されており（図１に示す例では、アノードセパレータ１２の一主面上に形成）、半導体素子２と上記１つのセパレータ（即ち、図１におけるアノードセパレータ１２）とが電気的に接続されている。
このような半導体装置では、燃料電池と半導体素子とが一体化しており、また、電源である燃料電池は、エネルギー密度が高く（例えば、代表的な二次電池であるリチウム二次電池と比べて１桁以上大きくできる）、消耗に伴う充電、交換などが不要であり、燃料を供給すれば速やかに発電を開始できるなどの特徴を有することから、コンパクトで汎用性に優れる半導体装置とすることができる。また、基本的に、燃料を補給する限り発電できるため、二次電池に比べてリサイクルの問題を小さくすることができる。
また、図１に示す例では、半導体素子２は、上記１つのセパレータであるアノードセパレータ１２の一主面上に配置された絶縁層３上に形成されており（即ち、半導体素子２と上記１つのセパレータとの間には、絶縁層３が形成されており）、半導体素子２と上記１つのセパレータとが、絶縁層３中に形成された電極４を介して電気的に接続されている。
このように、半導体素子２と上記１つのセパレータとの間に絶縁層３を配置する（図１に示す例では、半導体素子２を絶縁層３上に形成する）ことによって、半導体素子の面積を縮小させ、半導体素子の集積度をより大きくすることができる。また、電源電圧が１Ｖ以下の低電圧領域でも高速動作が可能な、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）トランジスタを構成することができる。このようなＳＯＩトランジスタは、既に、腕時計などに実用化、商品化されているが、１Ｖ以下で動作することから、燃料電池１が単セル（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｅｌｌ）の場合にも駆動が可能である。また、半導体素子２の消費電力を低減することも可能となるため、より長時間回路を動作させることができ、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。さらに、絶縁層は一般に熱伝導率が低いため、燃料電池１で発生した熱が、半導体素子２に伝導するのを抑制することもできる。
次に、図１に示す半導体装置における燃料電池１について説明する。
燃料電池１は、ＭＥＡ１５をアノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４で狭持した構造を含んでいる。アノードセパレータ１２には燃料の流路１１が、カソードセパレータ１４には酸化剤の流路１３が形成されている。ＭＥＡ１５は、それぞれのセパレータにおける上記流路が形成された面と接していればよい。流路１１および流路１３を介して燃料および酸化剤がＭＥＡ１５に供給されることによって、発電が行われる。また、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４は、ＭＥＡ１５において発生した電力の集電体としての役割も担っている。
ＭＥＡ１５としては、燃料および酸化剤を供給することによって発電が可能であれば、その構造、材料、サイズ、形状などは特に限定されない。発電に用いる燃料や酸化剤の種類、発電を行う温度領域、必要とする発電特性などに応じて任意に設定すればよい。ＭＥＡ１５の構造としては、例えば、高分子電解質からなる膜１５１の両面に、アノード電極１５２およびカソード電極１５３を塗付または印刷した構造とすればよい。その他、必要に応じて拡散層など任意の層をＭＥＡ中に付加してもよい。
ＭＥＡ１５の材料としては、例えば、燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いる場合、膜１５１としてパーフルオロエチレンスルホン酸系ポリマーなどの水素イオン伝導性を有する高分子電解質を、アノード電極１５２およびカソード電極１５３として白金の微粒子を含むカーボン材料などを用いればよい。この場合、燃料電池１はいわゆるＰＥＦＣ（ＰｏｌｙＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、比較的低温の領域（例えば、０℃〜１００℃の範囲）において発電することができる。発電温度を、例えば、８０℃以下に設定すれば半導体素子２への熱の影響も最小限に抑制することができる。また、ＰＥＦＣは、燃料電池の中でも特にエネルギー密度が大きく、必要な電力をより小型の燃料電池で得ることができるため、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。
燃料電池１に供給する燃料および酸化剤については、燃料電池１が発電できる限り、特に限定されない。発電を行う温度領域、必要とする発電特性などに応じて任意に設定すればよい。酸化剤としては、例えば、空気を用いればよい。燃料としては、例えば、水素などの気体だけではなく、メタノールなどの液体を用いてもよい。燃料としてメタノールを用いた場合、燃料電池１は、ＰＥＦＣの１種であるＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）となる。この場合、燃料として水素などの気体を用いる場合に比べて、燃料の供給をより容易に行うことができる。
また、燃料電池１に対する燃料および酸化剤の供給方法としては、特に限定されない。例えば、それぞれのセパレータの流路にポンプなどのデバイスを用いて供給すればよい。また、酸化剤として空気を用いる場合、カソードセパレータの流路を大気開放としてもよい。上記流路を大気開放とした場合の例については、実施の形態３に後述する。
図１に示す半導体装置において、アノードセパレータ１２に用いる材料としては、集電体として機能し（即ち、ある程度以上の導電性を有し）、かつ、その一主面上に絶縁層３を形成することができる限り、特に限定されない。なお、集電体として機能するためには、比抵抗にして、例えば、１００Ω・ｃｍ以下の範囲の材料を用いればよい。具体的には、例えば、グラファイトなどのカーボンからなる基板や、ステンレスなどの金属からなる基板、半導体基板などを用いてアノードセパレータ１２を形成すればよい。
また、カソードセパレータ１４に用いる材料としては、集電体として機能すれば（即ち、上述のように、ある程度以上の導電性を有すれば）、特に限定されない。具体的には、例えば、グラファイトなどのカーボンからなる基板や、ステンレスなどの金属からなる基板、半導体基板などを用いてカソードセパレータ１４を形成すればよい。なお、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に用いる材料は、同一であってもよいし異なっていてもよい。
アノードセパレータ１２であるかカソードセパレータ１４であるかに関わらず、セパレータに用いる半導体基板としては、例えば、結晶シリコンからなる半導体基板を用いればよい。ただし、純粋な結晶シリコンを用いた場合は、集電体として十分な導電性を有しない場合が考えられる。その場合は、例えば、ＩＩｂ族元素、ＩＩＩｂ族元素、Ｖｂ族元素、ＶＩｂ族元素などの不純物をドープするなどによって導電性を増加させた半導体基板とすればよい。なお、上記不純物のドープは、半導体基板全体に行ってもよいし、必要な部分のみに行ってもよい。
結晶シリコンに不純物をドープさせた場合、不純物の種類によって、ｎ形またはｐ形の導電型を有する半導体基板となる。セパレータとしては、上記導電型に左右されず、ｐ形、ｎ形のどちらを用いてもよい。アノードセパレータおよびカソードセパレータの導電型は、同じ導電型であってもよいし異なる導電型であってもよい。
なかでも、アノードセパレータ１２がｎ形半導体基板で形成されており、カソードセパレータ１４がｐ形半導体基板で形成されていることが好ましい。この場合、アノードからカソードへの電子の流れをよりスムーズにすることができるため、燃料電池１の特性をより向上させることができる。よって、より汎用性に優れた半導体装置とすることができる。
その他、半導体基板としては、例えば、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓなどのＩＩＩｂ族元素およびＶｂ族元素を含む化合物半導体からなる基板を用いてもよい。また、ＺｎＳ、ＺｎＳｅなどのＩＩｂ族元素およびＶＩｂ族元素を含む化合物半導体からなる基板を用いてもよい。
セパレータを半導体基板で形成すれば、半導体加工プロセスを応用することによって流路などを微細加工することができるため、例えば、全体の厚さが１．５ｍｍにも満たないような薄型の燃料電池を形成することも可能である。また、半導体基板は化学的にも安定であり、ＰＥＦＣにおいて強酸性の雰囲気下にあると考えられる燃料の流路においても、セパレータの腐食を最小限に抑制することができる。また、燃料は半導体基板を透過しないため、微細なセパレータを形成した場合でも、セパレータを介した燃料のリークを最小限に抑制することができる。さらに、製造にあたっては既存の半導体加工プロセスを利用することができるため、半導体素子と一体的に形成することも可能となり、より生産性よく半導体装置を製造できる。
また、なかでも結晶シリコンは、原料のシリコンが地球資源として豊富であり、人体に無害、安価であるなど様々なメリットを有している。さらに、結晶シリコンからなる半導体基板は、厚さ均一性および表面平坦度に優れており、シリコン極微細加工技術との組み合わせにより、極めて精密に加工することができる。また、大口径シリコンウェハーを半導体プロセスラインで一括処理すれば、同一ウェハー上に大量のセパレータを同時に形成することも可能であるため、より低コストでセパレータを製造できる。
また、市販されている結晶シリコン基板には、例えば、比抵抗が約１０ｍΩ・ｃｍ以下の基板がある。このような基板でセパレータを形成した場合、例えばセパレータの厚さを６５０μｍとすると、単位面積当たりのセパレータの抵抗値は約６５ｍΩ／ｃｍ^２となる（接触抵抗は考慮しない）。よって、結晶シリコン基板で形成されたセパレータは、燃料電池の集電体として十分に機能できることがわかる。例えば、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２の電流を出力する場合、セパレータにおける抵抗過電圧は約６．５ｍＶであり、燃料電池の出力電圧（例えば、燃料に水素を用いた場合、開放電圧（ＯＣＶ）は約１．１Ｖである）に比べると十分に小さいといえる。
図１に示す半導体装置において、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４の厚さとしては、燃料および酸化剤の流路を形成することができる限り、特に限定されない。セパレータを半導体基板で形成する場合、例えば、１０μｍ〜１ｍｍの範囲である。具体的には、例えば、一般的な６インチシリコン基板を用いてセパレータを形成する場合、セパレータの厚さは約６５０μｍとなる。
また、燃料および酸化剤の流路の大きさ、形状や、セパレータの面積に占める流路の割合などは、ＭＥＡに燃料および酸化剤を供給できる限り、特に限定されない。セパレータ自体の厚さ、必要な発電特性などに応じて任意に設定すればよい。例えば、図１に示す例では、セパレータ当たり１３本の流路が形成されているが、流路の本数は自由に設定することができる。１本の流路を折りたたんだ形状で流路を形成してもよい。
セパレータを半導体基板で形成する場合、例えば、幅が１０μｍ〜２００μｍの範囲、深さが１０μｍ〜５００μｍの範囲、流路同士の間隔（ピッチ）が１０μｍ〜１００μｍの範囲にある矩形状の流路とすればよい。
なお、図１に示す例では、燃料流路の方向と酸化剤流路の方向とが互いに平行になるようにそれぞれのセパレータが形成、配置されているが、本発明の半導体装置では特にこの構造に限定されない。それぞれの流路は、任意の相対角度で対向していてもよく、例えば、それぞれの流路が直交するようにセパレータを形成、配置してもよい。
図１に示す半導体装置では、上記１つのセパレータであるアノードセパレータ１２とＭＥＡ１５との間に、アノードセパレータ１２とＭＥＡ１５との接触抵抗を低減させるコンタクト層１６が配置されていてもよい。
このような半導体装置では、燃料電池１の抵抗過電圧を低減することができるため、燃料電池１の特性をより向上させることができる。よって、より汎用性に優れた半導体装置とすることができる。なお、図１に示すように、カソードセパレータ１４とＭＥＡ１５との間に上記コンタクト層が配置されていてもよい。コンタクト層の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲である。また、コンタクト層はセパレータの全面に配置されている必要はなく、コンタクト層を配置する領域は任意に設定することができる。
コンタクト層１６としては、セパレータとＭＥＡとの接触抵抗を低減させることができれば、特に限定されない。例えば、セパレータを半導体基板で形成する場合、上記半導体基板と同じ導電型を有する縮退した不純物拡散層を半導体基板上に形成し、コンタクト層とすればよい。上記不純物拡散層を形成する方法としては、例えば、不純物としてリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ホウ素（Ｂ）などをドーズ量１０^１４／ｃｍ^２以上の範囲で結晶シリコン基板などの半導体基板にイオン注入、拡散させればよい。また、上記不純物拡散層の上にメタルシリサイド層をさらに積層形成し、不純物拡散層とメタルシリサイド層との積層膜をコンタクト層としてもよい。また、上記積層体は、必要に応じてさらに別の層を含んでいてもよい。メタルシリサイド層としては、例えば、白金シリサイド、コバルトシリサイド、モリブデンシリサイド、ニッケルシリサイドなどからなる層とすればよい。なお、このようなコンタクト層を形成する具体的な方法の一例は、実施の形態６に後述する。
次に、図１に示す半導体装置における絶縁層３について説明する。
絶縁層３に用いる材料としては、半導体素子２とアノードセパレータ１２との間に形成することができれば、特に限定されない。例えば、ＳｉＯ_２、ガラス、金属酸化膜などを用いればよい。用いる材料の比抵抗は、例えば、１０^５Ω・ｃｍ以上の範囲であればよい。絶縁層３は、例えば、上記の材料をアノードセパレータに貼り合わせることによって形成してもよい。
アノードセパレータ１２が結晶シリコンからなる半導体基板で形成されている場合、例えば、絶縁層３は、ＳｉＯ_２からなる絶縁層であってもよい。この場合、アノードセパレータ１２、絶縁層３および半導体素子２を市販のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の加工によって形成することも可能であり、より安定性、汎用性に優れた半導体装置とすることができる。また、より生産性よく半導体装置を製造できる。
アノードセパレータ１２が金属からなる基板で形成されている場合、絶縁層３は、例えば、上記金属の酸化膜からなる絶縁層であってもよい。この場合、絶縁層３は、上記金属からなる基板の表面を酸化処理することによって形成することができるため、より安定性、汎用性に優れた半導体装置とすることができる。また、より生産性よく半導体装置を製造できる。さらに、セパレータ自体は金属であるため、μΩ・ｃｍオーダーの極めて小さい比抵抗を有するセパレータとすることができ、燃料電池としての抵抗過電圧をより小さくすることができる。
同様に、絶縁層３に用いる材料が、アノードセパレータ１２に用いる材料を酸化したものである場合、アノードセパレータ１２の表面を酸化することによって絶縁層３を形成することができるため、より生産性よく半導体装置を製造できる。
絶縁層３の厚さとしては、アノードセパレータ１２と半導体素子２との絶縁性を保つことができる限り、特に限定されない。例えば、１０ｎｍ以上であればよい。アノードセパレータ１２が結晶シリコンからなる半導体基板で形成されており、絶縁層３がＳｉＯ_２からなる場合、絶縁層３の厚さは、例えば、１０ｎｍ〜１μｍの範囲である。なお、絶縁層３の熱伝導率は一般的に小さいため、絶縁層３の厚さを大きくすることによって、燃料電池１からの熱が半導体素子２に伝導するのを抑制することもできる。
また、絶縁層３は、内部に電極４（電極４によって、半導体素子２とアノードセパレータ１２とが電気的に接続されている）が形成された孔（Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）を有している。上記孔の大きさは、電極４の大きさによって設定すればよく、特に限定されない。例えば、断面積にして１μｍ^２以下の範囲であればよい。また、図１に示す絶縁層３は、上記孔を１つしか有していないが、その数は特に限定されない。必要に応じて複数有していてもよい。電極４に用いる材料としては、例えば、タングステン、アルミニウム、銅などを用いればよい。半導体素子２の素子配線６３と一体化してもよい。
次に、図１に示す半導体装置における半導体素子２について説明する。
図１に示す半導体装置では、半導体素子２としてｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１およびｐチャネルＭＯＳトランジスタ２２からなるＣＭＯＳインバータ素子が結晶シリコン層５１に形成されている。上記ＣＭＯＳインバータは一般的なＣＭＯＳインバータであり、ｐウェルコンタクト層５２、ｎウェルコンタクト層５３、ｐ形ソース電極５４、ｐ形ドレイン電極５５、ｎ形ドレイン電極５６、ｎ形ソース電極５７、ゲート絶縁膜５８、ｎ形ゲート電極５９、ｐ形ゲート電極６０、素子分離絶縁膜６１、層間絶縁膜６２、素子配線６３、ｐウェル６４およびｎウェル６５を含んでいる。上記それぞれの領域に用いる材料、各領域の厚さおよび大きさなどは、特に限定されない。例えば、一般的な半導体素子と同様であればよい。
図１に示す例において、半導体素子であるＣＭＯＳインバータ素子は結晶シリコン層５１に形成されている。この場合、絶縁層３がＳｉＯ_２からなる絶縁層であれば、アノードセパレータ１２、絶縁層３および半導体素子２を市販のＳＯＩ基板の加工によって形成することも可能であり、より安定性、汎用性に優れた半導体装置とすることができる。また、より生産性よく半導体装置を製造できる。結晶シリコン層５１の厚さとしては、特に限定されない。例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲である。また、結晶シリコン層の比抵抗としては、例えば、１ｍΩ・ｃｍ〜１ｋΩ・ｃｍの範囲である。
本発明の半導体装置における半導体素子は、第１の電極および第２の電極を含み、前記第１の電極と前記アノードセパレータとが電気的に接続しており、前記第２の電極と前記カソードセパレータとが電気的に接続していてもよい。例えば、図１に示す例において、半導体素子であるＣＭＯＳインバータ素子の接地電位電極（図１に示すＶ_ＳＳ）は、絶縁層３中に形成された電極４を介してアノードセパレータ１２に電気的に接続されている。この経路を介してＣＭＯＳインバータ素子の負荷回路に電子が供給されることになる。また、ＣＭＯＳインバータ素子の電源供給電極（図１に示すＶ_ＤＤ）は、外部配線６６を介してカソードセパレータ１４に電気的に接続されている。燃料電池１からの電流は、外部配線６６を介してＣＭＯＳインバータ素子の電源供給電極に流れ込むことになる。なお、ＣＭＯＳインバータ素子の入力および出力電極は、図１に示す、Ｖ_ｉｎおよびＶ_ｏｕｔである。また、電極４および接地電位電極Ｖ_ＳＳは、一体化していてもよい。
図１に示す半導体装置において、アノードセパレータ１２が半導体基板で形成されている場合、電極４とアノードセパレータ１２との間に上述したコンタクト層や金属薄膜層を配置してもよい。電極４とアノードセパレータ１２との接触抵抗を低減させることができる。同じく、カソードセパレータ１４が半導体基板で形成されている場合、外部配線６６とカソードセパレータ１４との間に上述したコンタクト層や金属薄膜層を配置してもよい。このような半導体装置では、燃料電池１において発生した電力が効率よく半導体素子２に伝わるため、よりコンパクトで汎用性に優れる半導体装置とすることができる。なお、この場合のコンタクト層の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、コンタクト層を配置する領域は任意に設定することができる。
本発明の半導体装置における半導体素子の種類は、特に限定されない。例えば、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ、発光ダイオード、半導体レーザーなどを形成すればよい。なお、図１に示す半導体素子２はシリコン半導体素子であるが、その他の材料を用いた半導体素子、例えば、ＧａＮやＳｉＣなどから形成される化合物半導体素子であってもよい。このような化合物半導体素子は１００℃以上の温度領域でも用いることができるため、一般的なＰＥＦＣよりも高温で動作するタイプの燃料電池と一体化することもできる。また、半導体素子は、一般的な半導体素子形成法を用いて形成すればよい。
なお、図１に示す例では、半導体素子２はアノードセパレータ１２の一主面上に形成されているが、本発明の半導体装置は特にこの構成に限定されない。例えば、半導体素子２をカソードセパレータ１４の一主面上に形成してもよい。また、本発明の半導体装置では、第１および第２の半導体素子を含み、第１の半導体素子がアノードセパレータの一主面上に形成され、第２の半導体素子がカソードセパレータの一主面上に形成されていてもよい。即ち、アノードセパレータおよびカソードセパレータの双方の一主面上に半導体素子が形成されていてもよい。この場合、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。
また、図１に示す例では、燃料電池１と半導体素子２との間に絶縁層３が配置されているが、本発明の半導体装置は特にこの構成に限定されない。アノードセパレータの一主面上に半導体素子を直接形成してもよい。半導体素子をセパレータ上に直接形成する場合、上記セパレータを半導体基板で形成すればよい。なお、半導体素子の形成はアノードセパレータ上に限定されない。カソードセパレータの一主面上に半導体素子を形成してもよいし、アノードセパレータおよびカソードセパレータの双方の一主面上に半導体素子を形成してもよい。
なお、本発明の半導体装置は、図１に示すような電子回路装置や、光源、電源、マイクロマシン、マイクロセンサーなどに用いることができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の半導体装置における別の例を示す模式断面図である。
図２に示す半導体装置は、燃料電池１と半導体素子２とを備えている。燃料電池１は、アノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持されるＭＥＡ１５とを含んでいる。また、それぞれのセパレータとＭＥＡ１５との間には、コンタクト層１６が配置されており、ＭＥＡ１５によって発生した電力をより効率よく集電することができる。
また、半導体素子２はアノードセパレータ１２の一主面上に配置された絶縁層３上に形成されており、半導体素子２とアノードセパレータ１２とが、絶縁層３中に形成された電極４を介して電気的に接続されている。
半導体素子２は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子であり、ｐウェルコンタクト層５２、ｎ形ドレイン電極５６、ｎ形ソース電極５７、ゲート絶縁膜５８、ｎ形ゲート電極５９、素子分離絶縁膜６１、層間絶縁膜６２、素子配線６３およびｐウェル６４を含んでいる。図２に示すように、上記ｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子のソース電極および基板電極は電極４を介してアノードセパレータ１２と電気的に接続しており、ドレイン電極およびゲート電極は外部配線６６を介してカソードセパレータ１４と電気的に接続している。外部配線６６の途中には、燃料電池１によって発生した電力を供給する外部負荷が接続されている。
このような半導体装置では、燃料電池１の出力電圧がｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子の閾値の電圧以上であるときは、トランジスタ素子は常時ＯＮとなり、外部負荷に対して電力を供給することができる。しかし、燃料電池１の出力電圧が上記閾値の電圧以下になった場合、トランジスタ素子はＯＦＦとなり外部負荷への電力の供給が停止する。例えば、上記閾値を燃料電池の下限電圧（安全に発電できる最低電圧）に設定すれば、燃料電池のトラブルなどによる電子機器の誤動作や、燃料電池の電圧が低下しすぎることによる燃料電池の破損を防止することができる。また、トランジスタ素子のチャネルサイズを適当な値に設定することによって、燃料電池１の出力電流リミッタ機能を有する半導体装置（電源）とすることもできる。なお、トランジスタ素子の閾値の電圧は、ｐウェル６４の不純物拡散濃度やゲート絶縁膜５８の膜厚、ｎ形ゲート電極５９の材質（仕事関数）を調節することにより制御することができる。
図３は、本発明の半導体装置のまた別の例を示す断面模式図である。
図３に示す半導体装置は、図２に示す半導体装置の半導体素子２をｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子からｐチャネルＭＯＳトランジスタ素子に変更した半導体装置である。
図３に示す半導体素子２は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタ素子であり、ｎウェルコンタクト層５３、ｐ形ソース電極５４、ｐ形ドレイン電極５５、ゲート絶縁膜５８、ｐ形ゲート電極６０、素子分離絶縁膜６１、層間絶縁膜６２、素子配線６３およびｎウェル６５を含んでいる。図３に示すように、上記ｐチャネルＭＯＳトランジスタ素子のソース電極およびゲート電極は電極４を介してアノードセパレータ１２と電気的に接続しており、ドレイン電極および基板電極は外部配線６６を介してカソードセパレータ１４と電気的に接続している。外部配線６６の途中には、燃料電池１によって発生した電力を供給する外部負荷が接続されている。このような半導体装置では、図２に示す半導体装置と同様の効果を得ることができる。
通常、ＰＥＦＣにおける単セルの出力電圧は１Ｖ程度以下であるため、燃料電池を実際に半導体装置に用いる際には、半導体素子における使用電圧と燃料電池の出力電圧とを整合するためのインターフェース回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ回路など）や、燃料電池の出力制御回路（電圧制限回路や電流制限回路）などを付加する場合が考えられる。その際、本実施の形態における半導体装置のように、燃料電池と上記回路を含む半導体素子とを一体化することによって、よりコンパクトで汎用性に優れる半導体装置とすることができる。
なお、本実施の形態における半導体装置の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。
（実施の形態３）
図４Ａは、本発明の半導体装置における燃料電池の別の例を示す模式断面図である。
図４Ａに示す燃料電池１は、アノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持されるＭＥＡ１５とを含んでいる。また、カソードセパレータ１４には開口部１７が設けられており、カソードセパレータ１４の流路は大気開放されている。
このような燃料電池では、酸化剤である空気を自然置換によってＭＥＡに供給しているため、酸化剤を供給するポンプなどのデバイスを省略することができる。そのため、このような燃料電池を用いることによって、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。
また、カソードセパレータ１４が半導体基板で形成されている場合、開口部１７を半導体加工プロセスにより形成してもよい。半導体加工プロセスを用いた場合、微細な成形を行うことができるため、例えば、図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、開口部１７を格子状に加工することができる。開口部１７を格子状に形成すれば、セパレータの流路への外部からのゴミや埃の侵入を抑制することができる。図４Ｂは、図４Ａに示す燃料電池１を図４Ａ中のＸ方向から見た模式図である。図４Ｃは、図４Ｂにしめす開口部１７の一部（図４Ｂにおける丸印部分）を拡大した模式図である。開口部１７のうち、図４Ｃに示すＹ部が実際に開口している部分に相当し、上記Ｙ部を通じてＭＥＡのカソードに空気が供給されることになる。
開口部１７の幅および長さ、開口部１７を格子状とした場合の図４Ｃに示すＹ部の大きさ、開口部１７に含まれるＹ部の数などは特に限定されない。カソードセパレータの大きさ、必要な電池特性などに応じて、任意に設定することができる。流路への一般的な塵埃の侵入を防ぐためには、Ｙ部の開口部分の面積を、例えば、１００μｍ^２〜１０００μｍ^２の範囲に設定すればよい。例えば、開口部１７の幅が２００μｍの場合、Ｙ部の開口部分の面積を１００μｍ^２、隣り合うＹ部同士の間隔を５μｍに設定すればよい。また、格子状に加工する部分の厚さは、任意に設定すればよい。
なお、本実施の形態における燃料電池の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。
（実施の形態４）
図５は、本発明の半導体装置における燃料電池の別の例を示す断面模式図である。
図５に示す燃料電池１は、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１４とＭＥＡ１５とを含む単セルが複数積層された燃料電池である。また、図５に示す燃料電池１では、両端のセパレータを除き、アノードセパレータおよびカソードセパレータはセパレータ１８として一体化されている。セパレータ１８の一主面には燃料の流路１１が形成され、上記一主面とは反対側の主面には酸化剤の流路１３が形成されている。セパレータ１８は、アノードセパレータとカソードセパレータとの双方の役割を担っており、またセパレータ１８によって各単セルが直列に接続されている。
このような燃料電池とすることで、電池の発電面積は一定のまま、出力電圧を大きくすることができる。例えば、図５に示す例では、３セルを直列に接続しているため、燃料電池の出力電圧は単セルの約３倍になる。また、このように単セルを積層した燃料電池を備えることで、より汎用性に優れる半導体装置とすることができる。なお、単セルの積層数は、図５に示す３セルに限らず、必要な電池特性に応じて任意に設定することができる。
なお、単セルを積層する際には、図５に示すように、アノードセパレータとカソードセパレータとを一体化したセパレータ１８を用いる必要はない。例えば、単セル同士を単に積層してもよい。その際に、各単セルの間に燃料電池を冷却するための層を配置してもよい。また、本実施の形態における燃料電池の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。
（実施の形態５）
図６は、本発明の半導体装置における燃料電池の別の例を示す断面模式図である。
図６に示す燃料電池１は、アノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持されるＭＥＡ１５とを含んでいる。また、カソードセパレータ１４の酸化剤の流路には、撥水処理層１９が形成されている。
ＰＥＦＣでは、加湿した燃料や酸化剤をＭＥＡに供給する場合があり、また、発電によって水が生成することなどから、燃料や酸化剤の流路（特に酸化剤の流路）に液体の水が滞留する（フラッディング）ことがある。流路に水が滞留した場合、ＭＥＡへの燃料や酸化剤の供給が妨げられ、発電性能が低下する可能性がある。特に、カソードセパレータとして実施の形態３で示すような大気開放型のセパレータを用いた場合、酸化剤である空気を強制的に供給することができないため、フラッディングを起こす可能性が高くなる。また、燃料電池を高電流密度で発電する場合においても、生成する水の量が増加するためフラッディングが起きやすくなる。図６に示す燃料電池１のように、カソードセパレータ１４の酸化剤の流路に撥水処理層１９を形成することによって、酸化剤の流路から効率よく水を排出することができるため、より汎用性に優れる燃料電池とすることができる。また、このような燃料電池を備えることで、より汎用性に優れる半導体装置とすることができる。
撥水処理層１９としては、撥水効果を有する限り、特に限定されない。例えば、セパレータの流路にＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）層をスピンコート塗布することによって形成してもよい。また、セパレータが結晶シリコンからなる半導体基板で形成されている場合、レーザー光の照射や、超高真空中における熱処理などによって撥水処理層を形成してもよい。この場合、レーザー光などにより結晶シリコンの表面に数ｎｍオーダーの凹凸が形成され、この凹凸によって撥水効果を得ることができる。
なお、図６に示す燃料電池１では、撥水処理層はカソードセパレータ１４にのみ形成されているが、アノードセパレータ１２に撥水処理層を形成してもよい。また、本実施の形態における燃料電池の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。
（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明における半導体装置の製造方法について説明する。なお、本実施の形態における半導体装置の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。
本発明における半導体装置の製造方法は、一対のセパレータによってＭＥＡを狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
（ｉ）半導体基板の一方の面上に半導体素子を形成する工程と、
（ｉｉ）前記半導体基板における前記一方の面とは反対側の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記ＭＥＡとが接するように前記半導体基板上に前記ＭＥＡを積層する工程とを含んでいる。
このような製造方法は、半導体加工プロセスを用いて実施することが可能である。そのため、燃料電池と半導体素子とが一体化されたコンパクトで汎用性に優れる半導体装置を、より生産性よく製造できる。また、半導体基板として大口径シリコンウェハーを用いれば、一度に大量の半導体装置を製造することも可能であり、この場合、より低いコストで半導体装置を製造できる。
上記製造方法では、前記半導体基板が、前記一方の面と前記反対側の面との間に絶縁層を備えていてもよい。
また、上記製造方法では、前記（ｉ）の工程が、
（ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含んでいてもよい。
この製造方法の一例を、図７Ａ〜図７Ｈを用いて説明する。なお、以下に説明する製造方法は、アノードセパレータ上に半導体素子が形成された半導体装置を製造する方法であるが、カソードセパレータ上に半導体素子が形成された半導体装置を製造する場合も同様である。
最初に、半導体基板７、絶縁層３、結晶シリコン層８が積層された積層体を形成する（図７Ａ）。上記積層体は、それぞれの層を堆積させることによって形成してもよいが、例えば、市販のＳＯＩ基板（例えば、ＳＯＩＴＥＣ（エスオーアイテック）社製、ＵＮＩＢＯＮＤ（ユニボンド）基板）を用いてもよい。それぞれの層の厚さは、半導体装置として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。半導体基板７は最終的にアノードセパレータとなるため、その材料としては、実施の形態１におけるアノードセパレータに用いる半導体基板と同様であればよい。また、結晶シリコン層８には半導体素子が形成され、最終的に実施の形態１における結晶シリコン層５１となる。例えば、上記市販のＵＮＩＢＯＮＤ基板の一例では、半導体基板７は、導電型ｎ形、面方位（００１）、オリエンテーションフラット面の方位＜１１０＞、比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍの半導体基板であり、厚さは６５０μｍとすることができる。絶縁層３は、ＳｉＯ_２からなり、厚さ４００ｎｍである。結晶シリコン層８は、厚さ２００ｎｍである。
次に、絶縁層３上に形成された結晶シリコン層８に半導体素子２を形成する（図７Ｂ）。図７Ｂに示す例では、半導体素子２として、図１に示すＣＭＯＳインバータ素子が形成されている。図７Ｂに示す半導体素子２の各部分は、基本的に図１に示す半導体素子２と同じであり、同一の部分には同一の番号を付している。ただし、図７Ｂに示す半導体素子２は、プラズマ窒化膜などからなるパッシベーション膜６７をさらに含み、また、後に外部配線を接続するための開口部６８が設けられている。また、半導体素子２と半導体基板７とを電気的に接続する電極４が絶縁層３に形成され、電極４と半導体基板７との間には、両者の接触抵抗を低減させるコンタクト層６９が配置されている。
絶縁層３上に半導体素子２を形成する工程としては、一般的な半導体素子形成工程（図７Ｂに示す例では、ＣＭＯＳインバータ素子形成工程）を用いればよい。また、半導体素子２の各部分、およびコンタクト層６９には、実施の形態１で示した材料を用いればよい。電極４と素子配線６３とは一体化して形成してもよい。
次に、以上のように得た半導体素子２、絶縁層３および半導体基板７の積層体に対し、半導体基板７における絶縁層３および半導体素子２が形成されている面とは反対側の面に、燃料が流れる流路１１を以下の手順で形成する。
まず、上記積層体を５ｗｔ％程度の希弗酸に３０秒程度浸漬させ、半導体基板７上の自然酸化膜を除去する。次に、半導体基板７における上記反対側の面を工程処理面として、Ａｓ原子を加速してイオン注入（例えば、加速電圧１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの範囲、ドーズ量１０^１４ｃｍ^−２〜１０^１６ｃｍ^−２の範囲で注入）し、さらに急速加熱処理（例えば、２００℃、１分）を行うことによって、導電型がｎ形である縮退したＡｓ拡散層７０を形成する（図７Ｃ）。Ａｓ拡散層７０の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲である。
次に、Ａｓ拡散層７０上にスパッタ法や真空蒸着法を用いてニッケル膜を堆積させ、さらに、急速加熱処理（例えば、４００℃、１分、ただし、熱処理温度は半導体素子２内の素子配線４３の融点未満）を行うことにより、ニッケルシリサイド膜７１を形成する（図７Ｄ）。Ａｓ拡散層７０およびニッケルシリサイド膜７１の積層膜が、コンタクト層１６となる。このとき、半導体基板７に注入する不純物原子や、不純物拡散層７０上に堆積する原子を変更することによって、コンタクト層１６の組成を制御することができる。なお、堆積させるニッケル膜の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲である。また、このとき厚さ０．０１μｍ〜１０μｍの範囲（あるいは、０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲）のニッケルシリサイド膜を形成することができる。
次に、コンタクト層１６上に、形成する流路の形状に合わせたレジストパターン７２（厚さは、例えば、３０μｍ）を形成（図７Ｅ）した後、ドライエッチング処理などを行うことによって、半導体基板７に燃料の流路を形成する。このとき、レジストパターン７２の形状や、エッチング処理の時間を制御することによって、燃料の流路の幅や深さを制御することができる。その後、レジストパターン７２を除去することによって、一主面上に絶縁層３および半導体素子２が形成され、かつ、上記一主面とは反対側の面に燃料の流路１１が形成されたアノードセパレータ１２を得ることができる（図７Ｆ）。
アノードセパレータ１２の形成とは別に、上述した図７Ｃ〜図７Ｆに示す方法と同様の方法を用い、酸化剤の流路１３およびコンタクト層１６が形成されたカソードセパレータ１４を形成する（図７Ｇ）。アノードセパレータ１２の形成とは異なり、例えば、単層の半導体基板に不純物拡散層を形成する工程から始めればよい。
最後に、上記のようにして準備したアノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、別に準備したＭＥＡ１５とを、それぞれのセパレータの流路が形成された面とＭＥＡ１５とが接するように、積層する（図７Ｈ）。積層時には、必要に応じて圧力および温度を加えてもよいし、全体を樹脂などで被覆してもよい。その後、カソードセパレータ１４と半導体素子２とを外部配線を用いて接続することによって、図１に示すような半導体装置を得ることができる。
なお、本発明の半導体装置の製造方法では、上記アノードセパレータの製造工程において、半導体素子の形成と、燃料の流路の形成とを、順序を逆にして行っても（即ち、最初に燃料の流路を形成した後に半導体素子の形成を行っても）よい。
本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施の形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施の形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。
産業上の利用の可能性
以上のように、本発明によれば、コンパクトで汎用性に優れる、燃料電池を備える半導体装置を得ることができる。また、上記燃料電池を備える半導体装置をより生産性よく製造できる、燃料電池を備える半導体装置の製造方法を提供することができる。本発明の半導体装置は、電子回路装置、電源、光源、マイクロマシン、マイクロセンサーなどに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明における、燃料電池を備える半導体装置の一例を示す模式断面図である。
図２は、本発明における、燃料電池を備える半導体装置の別の一例を示す模式断面図である。
図３は、本発明における、燃料電池を備える半導体装置の別の一例を示す模式断面図である。
図４Ａは、本発明の燃料電池を備える半導体装置における、燃料電池の一例を示す模式断面図である。
図４Ｂは、図４Ａに示す燃料電池を別の角度から見た模式図である。
図４Ｃは、図４Ｂに示す燃料電池の一部を拡大した模式図である。
図５は、本発明の燃料電池を備える半導体装置における、燃料電池の一例を示す模式断面図である。
図６は、本発明の燃料電池を備える半導体装置における、燃料電池の一例を示す模式断面図である。
図７Ａ〜図７Ｈは、本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。

本発明は、燃料電池を備える半導体装置およびその製造方法に関する。

現在、半導体素子を備えるデバイスである半導体装置は、電子機器などの様々な分野で広く用いられており、その用途はますます拡大し続けている。また、近年、マイクロマシンなどに代表される微小な半導体装置が注目を集めている。

このような半導体装置自体が電源を備えれば（即ち、電源を備える半導体装置であれば）、より汎用性に優れる半導体装置とすることができる。その場合、電源としてリチウム電池など一般的に使用されている二次電池を用いることもできる。

しかし、現在の二次電池の技術では、出力特性上、半導体素子に比べてかなり大きいサイズの電源が必要である。このため、電源を備える半導体装置の小型化には限界がある。また、電池が消耗した場合、充電または交換する必要があるため、汎用性の点でも問題がある。さらに、二次電池のリサイクルは、将来、大変な社会問題となることが予想される。このような状況から、よりコンパクトで汎用性に優れた、電源を備える半導体装置の実現が望まれている。

そこで本発明は、コンパクトで汎用性に優れた、電源として燃料電池を備える半導体装置と、その製造方法とを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池を備える半導体装置（以下、単に「半導体装置」ともいう）は、燃料電池と半導体素子とを備え、
前記燃料電池は、燃料の流路が形成されたアノードセパレータと、酸化剤の流路が形成されたカソードセパレータと、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータに狭持される膜電極接合体とを含み、
前記半導体素子は、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータから選ばれる１つのセパレータの一主面上に形成されており、
前記半導体素子と前記１つのセパレータとが電気的に接続されている。

上記半導体装置では、第１および第２の半導体素子を含み、
前記第１の半導体素子が、前記アノードセパレータの一主面上に形成されており、
前記第２の半導体素子が、前記カソードセパレータの一主面上に形成されていてもよい。

上記半導体装置では、前記１つのセパレータが、半導体基板で形成されていてもよい。

上記半導体装置では、前記半導体基板が、結晶シリコンからなる半導体基板であってもよい。

上記半導体装置では、前記半導体基板が、IIIｂ族元素およびＶｂ族元素を含む化合物半導体からなる半導体基板であってもよい。

上記半導体装置では、前記半導体基板が、IIｂ族元素およびVIｂ族元素を含む化合物半導体からなる半導体基板であってもよい。

上記半導体装置では、前記アノードセパレータがｎ形半導体基板で形成されており、前記カソードセパレータがｐ形半導体基板で形成されていてもよい。

上記半導体装置では、前記１つのセパレータと前記膜電極接合体との間に、前記１つのセパレータと前記膜電極接合体との接触抵抗を低減させるコンタクト層が配置されていてもよい。

上記半導体装置では、前記半導体素子と、前記１つのセパレータとの間には、絶縁層が形成されていてもよい。

上記半導体装置では、前記半導体素子と前記１つのセパレータとが、前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続されていてもよい。

上記半導体装置では、前記絶縁層が、ＳｉＯ₂からなる絶縁層であってもよい。

上記半導体装置では、前記絶縁層の比抵抗が、１０⁵Ω・ｃｍ以上であってもよい。

上記半導体装置では、前記絶縁層の厚さが、１０ｎｍ〜１μｍの範囲であってもよい。

上記半導体装置では、前記１つのセパレータが、金属からなるセパレータであってもよい。

上記半導体装置では、前記絶縁層が、前記金属の酸化膜からなる絶縁層であってもよい。

上記半導体装置では、前記半導体素子は、第１の電極および第２の電極を含み、
前記第１の電極と前記アノードセパレータとが電気的に接続しており、
前記第２の電極と前記カソードセパレータとが電気的に接続していてもよい。

上記半導体装置では、前記半導体素子が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタであり、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタのソース電極および基板電極が前記アノードセパレータと電気的に接続しており、ドレイン電極およびゲート電極が前記カソードセパレータと電気的に接続していてもよい。

上記半導体装置では、前記半導体素子が、ｐチャネルＭＯＳトランジスタであり、前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタのソース電極およびゲート電極が前記アノードセパレータと電気的に接続しており、ドレイン電極および基板電極が前記カソードセパレータと電気的に接続していてもよい。

上記半導体装置では、前記燃料電池は、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータと前記膜電極接合体とを含むセルが複数積層されていてもよい。

本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法は、一対のセパレータによって膜電極接合体を狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
（ｉ）半導体基板の一方の面上に半導体素子を形成する工程と、
（ii）前記半導体基板における前記一方の面とは反対側の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
（iii）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含んでいる。

上記製造方法では、前記半導体基板が、前記一方の面と前記反対側の面との間に絶縁層を備えていてもよい。

上記製造方法では、前記（ｉ）の工程が、
（ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含んでいてもよい。

本発明における、燃料電池を備える半導体装置の別の製造方法は、一対のセパレータによって膜電極接合体を狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
（Ｉ）半導体基板の一方の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
（II）前記半導体基板における前記流路が形成された面とは反対側の他方の面上に半導体素子を形成する工程と、
（III）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含んでいる。

上記製造方法では、前記半導体基板が、前記一方の面と前記他方の面との間に絶縁層を備えていてもよい。

上記製造方法では、前記（II）の工程が、
（Ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含んでいてもよい。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態において、同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明における、燃料電池を備える半導体装置（以下、半導体装置、ともいう）の一例を示す模式断面図である。図１に示す半導体装置は、燃料電池１と半導体素子２とを備えている。燃料電池１は、燃料の流路１１が形成されたアノードセパレータ１２と、酸化剤の流路１３が形成されたカソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持される膜電極接合体（ＭＥＡ）１５とを含んでいる。また、半導体素子２は、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４から選ばれる１つのセパレータの一主面上に形成されており（図１に示す例では、アノードセパレータ１２の一主面上に形成）、半導体素子２と上記１つのセパレータ（即ち、図１におけるアノードセパレータ１２）とが電気的に接続されている。

このような半導体装置では、燃料電池と半導体素子とが一体化しており、また、電源である燃料電池は、エネルギー密度が高く（例えば、代表的な二次電池であるリチウム二次電池と比べて１桁以上大きくできる）、消耗に伴う充電、交換などが不要であり、燃料を供給すれば速やかに発電を開始できるなどの特徴を有することから、コンパクトで汎用性に優れる半導体装置とすることができる。また、基本的に、燃料を補給する限り発電できるため、二次電池に比べてリサイクルの問題を小さくすることができる。

また、図１に示す例では、半導体素子２は、上記１つのセパレータであるアノードセパレータ１２の一主面上に配置された絶縁層３上に形成されており（即ち、半導体素子２と上記１つのセパレータとの間には、絶縁層３が形成されており）、半導体素子２と上記１つのセパレータとが、絶縁層３中に形成された電極４を介して電気的に接続されている。

このように、半導体素子２と上記１つのセパレータとの間に絶縁層３を配置する（図１に示す例では、半導体素子２を絶縁層３上に形成する）ことによって、半導体素子の面積を縮小させ、半導体素子の集積度をより大きくすることができる。また、電源電圧が１Ｖ以下の低電圧領域でも高速動作が可能な、いわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）トランジスタを構成することができる。このようなＳＯＩトランジスタは、既に、腕時計などに実用化、商品化されているが、１Ｖ以下で動作することから、燃料電池１が単セル（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｅｌｌ）の場合にも駆動が可能である。また、半導体素子２の消費電力を低減することも可能となるため、より長時間回路を動作させることができ、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。さらに、絶縁層は一般に熱伝導率が低いため、燃料電池１で発生した熱が、半導体素子２に伝導するのを抑制することもできる。

次に、図１に示す半導体装置における燃料電池１について説明する。

燃料電池１は、ＭＥＡ１５をアノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４で狭持した構造を含んでいる。アノードセパレータ１２には燃料の流路１１が、カソードセパレータ１４には酸化剤の流路１３が形成されている。ＭＥＡ１５は、それぞれのセパレータにおける上記流路が形成された面と接していればよい。流路１１および流路１３を介して燃料および酸化剤がＭＥＡ１５に供給されることによって、発電が行われる。また、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４は、ＭＥＡ１５において発生した電力の集電体としての役割も担っている。

ＭＥＡ１５としては、燃料および酸化剤を供給することによって発電が可能であれば、その構造、材料、サイズ、形状などは特に限定されない。発電に用いる燃料や酸化剤の種類、発電を行う温度領域、必要とする発電特性などに応じて任意に設定すればよい。ＭＥＡ１５の構造としては、例えば、高分子電解質からなる膜１５１の両面に、アノード電極１５２およびカソード電極１５３を塗付または印刷した構造とすればよい。その他、必要に応じて拡散層など任意の層をＭＥＡ中に付加してもよい。

ＭＥＡ１５の材料としては、例えば、燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いる場合、膜１５１としてパーフルオロエチレンスルホン酸系ポリマーなどの水素イオン伝導性を有する高分子電解質を、アノード電極１５２およびカソード電極１５３として白金の微粒子を含むカーボン材料などを用いればよい。この場合、燃料電池１はいわゆるＰＥＦＣ（ＰｏｌｙＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、比較的低温の領域（例えば、０℃〜１００℃の範囲）において発電することができる。発電温度を、例えば、８０℃以下に設定すれば半導体素子２への熱の影響も最小限に抑制することができる。また、ＰＥＦＣは、燃料電池の中でも特にエネルギー密度が大きく、必要な電力をより小型の燃料電池で得ることができるため、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。

燃料電池１に供給する燃料および酸化剤については、燃料電池１が発電できる限り、特に限定されない。発電を行う温度領域、必要とする発電特性などに応じて任意に設定すればよい。酸化剤としては、例えば、空気を用いればよい。燃料としては、例えば、水素などの気体だけではなく、メタノールなどの液体を用いてもよい。燃料としてメタノールを用いた場合、燃料電池１は、ＰＥＦＣの１種であるＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）となる。この場合、燃料として水素などの気体を用いる場合に比べて、燃料の供給をより容易に行うことができる。

また、燃料電池１に対する燃料および酸化剤の供給方法としては、特に限定されない。例えば、それぞれのセパレータの流路にポンプなどのデバイスを用いて供給すればよい。また、酸化剤として空気を用いる場合、カソードセパレータの流路を大気開放としてもよい。上記流路を大気開放とした場合の例については、実施の形態３に後述する。

図１に示す半導体装置において、アノードセパレータ１２に用いる材料としては、集電体として機能し（即ち、ある程度以上の導電性を有し）、かつ、その一主面上に絶縁層３を形成することができる限り、特に限定されない。なお、集電体として機能するためには、比抵抗にして、例えば、１００Ω・ｃｍ以下の範囲の材料を用いればよい。具体的には、例えば、グラファイトなどのカーボンからなる基板や、ステンレスなどの金属からなる基板、半導体基板などを用いてアノードセパレータ１２を形成すればよい。

また、カソードセパレータ１４に用いる材料としては、集電体として機能すれば（即ち、上述のように、ある程度以上の導電性を有すれば）、特に限定されない。具体的には、例えば、グラファイトなどのカーボンからなる基板や、ステンレスなどの金属からなる基板、半導体基板などを用いてカソードセパレータ１４を形成すればよい。なお、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に用いる材料は、同一であってもよいし異なっていてもよい。

アノードセパレータ１２であるかカソードセパレータ１４であるかに関わらず、セパレータに用いる半導体基板としては、例えば、結晶シリコンからなる半導体基板を用いればよい。ただし、純粋な結晶シリコンを用いた場合は、集電体として十分な導電性を有しない場合が考えられる。その場合は、例えば、IIｂ族元素、IIIｂ族元素、Ｖｂ族元素、VIｂ族元素などの不純物をドープするなどによって導電性を増加させた半導体基板とすればよい。なお、上記不純物のドープは、半導体基板全体に行ってもよいし、必要な部分のみに行ってもよい。

結晶シリコンに不純物をドープさせた場合、不純物の種類によって、ｎ形またはｐ形の導電型を有する半導体基板となる。セパレータとしては、上記導電型に左右されず、ｐ形、ｎ形のどちらを用いてもよい。アノードセパレータおよびカソードセパレータの導電型は、同じ導電型であってもよいし異なる導電型であってもよい。

なかでも、アノードセパレータ１２がｎ形半導体基板で形成されており、カソードセパレータ１４がｐ形半導体基板で形成されていることが好ましい。この場合、アノードからカソードへの電子の流れをよりスムーズにすることができるため、燃料電池１の特性をより向上させることができる。よって、より汎用性に優れた半導体装置とすることができる。

その他、半導体基板としては、例えば、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓなどのIIIｂ族元素およびＶｂ族元素を含む化合物半導体からなる基板を用いてもよい。また、ＺｎＳ、ＺｎＳｅなどのIIｂ族元素およびVIｂ族元素を含む化合物半導体からなる基板を用いてもよい。

セパレータを半導体基板で形成すれば、半導体加工プロセスを応用することによって流路などを微細加工することができるため、例えば、全体の厚さが１．５ｍｍにも満たないような薄型の燃料電池を形成することも可能である。また、半導体基板は化学的にも安定であり、ＰＥＦＣにおいて強酸性の雰囲気下にあると考えられる燃料の流路においても、セパレータの腐食を最小限に抑制することができる。また、燃料は半導体基板を透過しないため、微細なセパレータを形成した場合でも、セパレータを介した燃料のリークを最小限に抑制することができる。さらに、製造にあたっては既存の半導体加工プロセスを利用することができるため、半導体素子と一体的に形成することも可能となり、より生産性よく半導体装置を製造できる。

また、なかでも結晶シリコンは、原料のシリコンが地球資源として豊富であり、人体に無害、安価であるなど様々なメリットを有している。さらに、結晶シリコンからなる半導体基板は、厚さ均一性および表面平坦度に優れており、シリコン極微細加工技術との組み合わせにより、極めて精密に加工することができる。また、大口径シリコンウェハーを半導体プロセスラインで一括処理すれば、同一ウェハー上に大量のセパレータを同時に形成することも可能であるため、より低コストでセパレータを製造できる。

また、市販されている結晶シリコン基板には、例えば、比抵抗が約１０ｍΩ・ｃｍ以下の基板がある。このような基板でセパレータを形成した場合、例えばセパレータの厚さを６５０μｍとすると、単位面積当たりのセパレータの抵抗値は約６５ｍΩ／ｃｍ²となる（接触抵抗は考慮しない）。よって、結晶シリコン基板で形成されたセパレータは、燃料電池の集電体として十分に機能できることがわかる。例えば、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²の電流を出力する場合、セパレータにおける抵抗過電圧は約６．５ｍＶであり、燃料電池の出力電圧（例えば、燃料に水素を用いた場合、開放電圧（ＯＣＶ）は約１．１Ｖである）に比べると十分に小さいといえる。

図１に示す半導体装置において、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４の厚さとしては、燃料および酸化剤の流路を形成することができる限り、特に限定されない。セパレータを半導体基板で形成する場合、例えば、１０μｍ〜１ｍｍの範囲である。具体的には、例えば、一般的な６インチシリコン基板を用いてセパレータを形成する場合、セパレータの厚さは約６５０μｍとなる。

また、燃料および酸化剤の流路の大きさ、形状や、セパレータの面積に占める流路の割合などは、ＭＥＡに燃料および酸化剤を供給できる限り、特に限定されない。セパレータ自体の厚さ、必要な発電特性などに応じて任意に設定すればよい。例えば、図１に示す例では、セパレータ当たり１３本の流路が形成されているが、流路の本数は自由に設定することができる。１本の流路を折りたたんだ形状で流路を形成してもよい。

セパレータを半導体基板で形成する場合、例えば、幅が１０μｍ〜２００μｍの範囲、深さが１０μｍ〜５００μｍの範囲、流路同士の間隔（ピッチ）が１０μｍ〜１００μｍの範囲にある矩形状の流路とすればよい。

なお、図１に示す例では、燃料流路の方向と酸化剤流路の方向とが互いに平行になるようにそれぞれのセパレータが形成、配置されているが、本発明の半導体装置では特にこの構造に限定されない。それぞれの流路は、任意の相対角度で対向していてもよく、例えば、それぞれの流路が直交するようにセパレータを形成、配置してもよい。

図１に示す半導体装置では、上記１つのセパレータであるアノードセパレータ１２とＭＥＡ１５との間に、アノードセパレータ１２とＭＥＡ１５との接触抵抗を低減させるコンタクト層１６が配置されていてもよい。

このような半導体装置では、燃料電池１の抵抗過電圧を低減することができるため、燃料電池１の特性をより向上させることができる。よって、より汎用性に優れた半導体装置とすることができる。なお、図１に示すように、カソードセパレータ１４とＭＥＡ１５との間に上記コンタクト層が配置されていてもよい。コンタクト層の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲である。また、コンタクト層はセパレータの全面に配置されている必要はなく、コンタクト層を配置する領域は任意に設定することができる。

コンタクト層１６としては、セパレータとＭＥＡとの接触抵抗を低減させることができれば、特に限定されない。例えば、セパレータを半導体基板で形成する場合、上記半導体基板と同じ導電型を有する縮退した不純物拡散層を半導体基板上に形成し、コンタクト層とすればよい。上記不純物拡散層を形成する方法としては、例えば、不純物としてリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ホウ素（Ｂ）などをドーズ量１０¹⁴／ｃｍ²以上の範囲で結晶シリコン基板などの半導体基板にイオン注入、拡散させればよい。また、上記不純物拡散層の上にメタルシリサイド層をさらに積層形成し、不純物拡散層とメタルシリサイド層との積層膜をコンタクト層としてもよい。また、上記積層体は、必要に応じてさらに別の層を含んでいてもよい。メタルシリサイド層としては、例えば、白金シリサイド、コバルトシリサイド、モリブデンシリサイド、ニッケルシリサイドなどからなる層とすればよい。なお、このようなコンタクト層を形成する具体的な方法の一例は、実施の形態６に後述する。

次に、図１に示す半導体装置における絶縁層３について説明する。

絶縁層３に用いる材料としては、半導体素子２とアノードセパレータ１２との間に形成することができれば、特に限定されない。例えば、ＳｉＯ₂、ガラス、金属酸化膜などを用いればよい。用いる材料の比抵抗は、例えば、１０⁵Ω・ｃｍ以上の範囲であればよい。絶縁層３は、例えば、上記の材料をアノードセパレータに貼り合わせることによって形成してもよい。

アノードセパレータ１２が結晶シリコンからなる半導体基板で形成されている場合、例えば、絶縁層３は、ＳｉＯ₂からなる絶縁層であってもよい。この場合、アノードセパレータ１２、絶縁層３および半導体素子２を市販のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の加工によって形成することも可能であり、より安定性、汎用性に優れた半導体装置とすることができる。また、より生産性よく半導体装置を製造できる。

アノードセパレータ１２が金属からなる基板で形成されている場合、絶縁層３は、例えば、上記金属の酸化膜からなる絶縁層であってもよい。この場合、絶縁層３は、上記金属からなる基板の表面を酸化処理することによって形成することができるため、より安定性、汎用性に優れた半導体装置とすることができる。また、より生産性よく半導体装置を製造できる。さらに、セパレータ自体は金属であるため、μΩ・ｃｍオーダーの極めて小さい比抵抗を有するセパレータとすることができ、燃料電池としての抵抗過電圧をより小さくすることができる。

同様に、絶縁層３に用いる材料が、アノードセパレータ１２に用いる材料を酸化したものである場合、アノードセパレータ１２の表面を酸化することによって絶縁層３を形成することができるため、より生産性よく半導体装置を製造できる。

絶縁層３の厚さとしては、アノードセパレータ１２と半導体素子２との絶縁性を保つことができる限り、特に限定されない。例えば、１０ｎｍ以上であればよい。アノードセパレータ１２が結晶シリコンからなる半導体基板で形成されており、絶縁層３がＳｉＯ₂からなる場合、絶縁層３の厚さは、例えば、１０ｎｍ〜１μｍの範囲である。なお、絶縁層３の熱伝導率は一般的に小さいため、絶縁層３の厚さを大きくすることによって、燃料電池１からの熱が半導体素子２に伝導するのを抑制することもできる。

また、絶縁層３は、内部に電極４（電極４によって、半導体素子２とアノードセパレータ１２とが電気的に接続されている）が形成された孔（Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）を有している。上記孔の大きさは、電極４の大きさによって設定すればよく、特に限定されない。例えば、断面積にして１μｍ²以下の範囲であればよい。また、図１に示す絶縁層３は、上記孔を１つしか有していないが、その数は特に限定されない。必要に応じて複数有していてもよい。電極４に用いる材料としては、例えば、タングステン、アルミニウム、銅などを用いればよい。半導体素子２の素子配線６３と一体化してもよい。

次に、図１に示す半導体装置における半導体素子２について説明する。

図１に示す半導体装置では、半導体素子２としてｎチャネルＭＯＳトランジスタ２１およびｐチャネルＭＯＳトランジスタ２２からなるＣＭＯＳインバータ素子が結晶シリコン層５１に形成されている。上記ＣＭＯＳインバータは一般的なＣＭＯＳインバータであり、ｐウェルコンタクト層５２、ｎウェルコンタクト層５３、ｐ形ソース電極５４、ｐ形ドレイン電極５５、ｎ形ドレイン電極５６、ｎ形ソース電極５７、ゲート絶縁膜５８、ｎ形ゲート電極５９、ｐ形ゲート電極６０、素子分離絶縁膜６１、層間絶縁膜６２、素子配線６３、ｐウェル６４およびｎウェル６５を含んでいる。上記それぞれの領域に用いる材料、各領域の厚さおよび大きさなどは、特に限定されない。例えば、一般的な半導体素子と同様であればよい。

図１に示す例において、半導体素子であるＣＭＯＳインバータ素子は結晶シリコン層５１に形成されている。この場合、絶縁層３がＳｉＯ₂からなる絶縁層であれば、アノードセパレータ１２、絶縁層３および半導体素子２を市販のＳＯＩ基板の加工によって形成することも可能であり、より安定性、汎用性に優れた半導体装置とすることができる。また、より生産性よく半導体装置を製造できる。結晶シリコン層５１の厚さとしては、特に限定されない。例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲である。また、結晶シリコン層の比抵抗としては、例えば、１ｍΩ・ｃｍ〜１ｋΩ・ｃｍの範囲である。

本発明の半導体装置における半導体素子は、第１の電極および第２の電極を含み、前記第１の電極と前記アノードセパレータとが電気的に接続しており、前記第２の電極と前記カソードセパレータとが電気的に接続していてもよい。例えば、図１に示す例において、半導体素子であるＣＭＯＳインバータ素子の接地電位電極（図１に示すＶ_SS）は、絶縁層３中に形成された電極４を介してアノードセパレータ１２に電気的に接続されている。この経路を介してＣＭＯＳインバータ素子の負荷回路に電子が供給されることになる。また、ＣＭＯＳインバータ素子の電源供給電極（図１に示すＶ_DD）は、外部配線６６を介してカソードセパレータ１４に電気的に接続されている。燃料電池１からの電流は、外部配線６６を介してＣＭＯＳインバータ素子の電源供給電極に流れ込むことになる。なお、ＣＭＯＳインバータ素子の入力および出力電極は、図１に示す、Ｖ_inおよびＶ_outである。また、電極４および接地電位電極Ｖ_SSは、一体化していてもよい。

図１に示す半導体装置において、アノードセパレータ１２が半導体基板で形成されている場合、電極４とアノードセパレータ１２との間に上述したコンタクト層や金属薄膜層を配置してもよい。電極４とアノードセパレータ１２との接触抵抗を低減させることができる。同じく、カソードセパレータ１４が半導体基板で形成されている場合、外部配線６６とカソードセパレータ１４との間に上述したコンタクト層や金属薄膜層を配置してもよい。このような半導体装置では、燃料電池１において発生した電力が効率よく半導体素子２に伝わるため、よりコンパクトで汎用性に優れる半導体装置とすることができる。なお、この場合のコンタクト層の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、コンタクト層を配置する領域は任意に設定することができる。

本発明の半導体装置における半導体素子の種類は、特に限定されない。例えば、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ、発光ダイオード、半導体レーザーなどを形成すればよい。なお、図１に示す半導体素子２はシリコン半導体素子であるが、その他の材料を用いた半導体素子、例えば、ＧａＮやＳｉＣなどから形成される化合物半導体素子であってもよい。このような化合物半導体素子は１００℃以上の温度領域でも用いることができるため、一般的なＰＥＦＣよりも高温で動作するタイプの燃料電池と一体化することもできる。また、半導体素子は、一般的な半導体素子形成法を用いて形成すればよい。

なお、図１に示す例では、半導体素子２はアノードセパレータ１２の一主面上に形成されているが、本発明の半導体装置は特にこの構成に限定されない。例えば、半導体素子２をカソードセパレータ１４の一主面上に形成してもよい。また、本発明の半導体装置では、第１および第２の半導体素子を含み、第１の半導体素子がアノードセパレータの一主面上に形成され、第２の半導体素子がカソードセパレータの一主面上に形成されていてもよい。即ち、アノードセパレータおよびカソードセパレータの双方の一主面上に半導体素子が形成されていてもよい。この場合、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。

また、図１に示す例では、燃料電池１と半導体素子２との間に絶縁層３が配置されているが、本発明の半導体装置は特にこの構成に限定されない。アノードセパレータの一主面上に半導体素子を直接形成してもよい。半導体素子をセパレータ上に直接形成する場合、上記セパレータを半導体基板で形成すればよい。なお、半導体素子の形成はアノードセパレータ上に限定されない。カソードセパレータの一主面上に半導体素子を形成してもよいし、アノードセパレータおよびカソードセパレータの双方の一主面上に半導体素子を形成してもよい。

なお、本発明の半導体装置は、図１に示すような電子回路装置や、光源、電源、マイクロマシン、マイクロセンサーなどに用いることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の半導体装置における別の例を示す模式断面図である。

図２に示す半導体装置は、燃料電池１と半導体素子２とを備えている。燃料電池１は、アノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持されるＭＥＡ１５とを含んでいる。また、それぞれのセパレータとＭＥＡ１５との間には、コンタクト層１６が配置されており、ＭＥＡ１５によって発生した電力をより効率よく集電することができる。

また、半導体素子２はアノードセパレータ１２の一主面上に配置された絶縁層３上に形成されており、半導体素子２とアノードセパレータ１２とが、絶縁層３中に形成された電極４を介して電気的に接続されている。

半導体素子２は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子であり、ｐウェルコンタクト層５２、ｎ形ドレイン電極５６、ｎ形ソース電極５７、ゲート絶縁膜５８、ｎ形ゲート電極５９、素子分離絶縁膜６１、層間絶縁膜６２、素子配線６３およびｐウェル６４を含んでいる。図２に示すように、上記ｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子のソース電極および基板電極は電極４を介してアノードセパレータ１２と電気的に接続しており、ドレイン電極およびゲート電極は外部配線６６を介してカソードセパレータ１４と電気的に接続している。外部配線６６の途中には、燃料電池１によって発生した電力を供給する外部負荷が接続されている。

このような半導体装置では、燃料電池１の出力電圧がｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子の閾値の電圧以上であるときは、トランジスタ素子は常時ＯＮとなり、外部負荷に対して電力を供給することができる。しかし、燃料電池１の出力電圧が上記閾値の電圧以下になった場合、トランジスタ素子はＯＦＦとなり外部負荷への電力の供給が停止する。例えば、上記閾値を燃料電池の下限電圧（安全に発電できる最低電圧）に設定すれば、燃料電池のトラブルなどによる電子機器の誤動作や、燃料電池の電圧が低下しすぎることによる燃料電池の破損を防止することができる。また、トランジスタ素子のチャネルサイズを適当な値に設定することによって、燃料電池１の出力電流リミッタ機能を有する半導体装置（電源）とすることもできる。なお、トランジスタ素子の閾値の電圧は、ｐウェル６４の不純物拡散濃度やゲート絶縁膜５８の膜厚、ｎ形ゲート電極５９の材質（仕事関数）を調節することにより制御することができる。

図３は、本発明の半導体装置のまた別の例を示す断面模式図である。

図３に示す半導体装置は、図２に示す半導体装置の半導体素子２をｎチャネルＭＯＳトランジスタ素子からｐチャネルＭＯＳトランジスタ素子に変更した半導体装置である。

図３に示す半導体素子２は、ｐチャネルＭＯＳトランジスタ素子であり、ｎウェルコンタクト層５３、ｐ形ソース電極５４、ｐ形ドレイン電極５５、ゲート絶縁膜５８、ｐ形ゲート電極６０、素子分離絶縁膜６１、層間絶縁膜６２、素子配線６３およびｎウェル６５を含んでいる。図３に示すように、上記ｐチャネルＭＯＳトランジスタ素子のソース電極およびゲート電極は電極４を介してアノードセパレータ１２と電気的に接続しており、ドレイン電極および基板電極は外部配線６６を介してカソードセパレータ１４と電気的に接続している。外部配線６６の途中には、燃料電池１によって発生した電力を供給する外部負荷が接続されている。このような半導体装置では、図２に示す半導体装置と同様の効果を得ることができる。

通常、ＰＥＦＣにおける単セルの出力電圧は１Ｖ程度以下であるため、燃料電池を実際に半導体装置に用いる際には、半導体素子における使用電圧と燃料電池の出力電圧とを整合するためのインターフェース回路（ＤＣ−ＤＣコンバータ回路など）や、燃料電池の出力制御回路（電圧制限回路や電流制限回路）などを付加する場合が考えられる。その際、本実施の形態における半導体装置のように、燃料電池と上記回路を含む半導体素子とを一体化することによって、よりコンパクトで汎用性に優れる半導体装置とすることができる。

なお、本実施の形態における半導体装置の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。

（実施の形態３）
図４Ａは、本発明の半導体装置における燃料電池の別の例を示す模式断面図である。

図４Ａに示す燃料電池１は、アノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持されるＭＥＡ１５とを含んでいる。また、カソードセパレータ１４には開口部１７が設けられており、カソードセパレータ１４の流路は大気開放されている。

このような燃料電池では、酸化剤である空気を自然置換によってＭＥＡに供給しているため、酸化剤を供給するポンプなどのデバイスを省略することができる。そのため、このような燃料電池を用いることによって、よりコンパクトで汎用性に優れた半導体装置とすることができる。

また、カソードセパレータ１４が半導体基板で形成されている場合、開口部１７を半導体加工プロセスにより形成してもよい。半導体加工プロセスを用いた場合、微細な成形を行うことができるため、例えば、図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、開口部１７を格子状に加工することができる。開口部１７を格子状に形成すれば、セパレータの流路への外部からのゴミや埃の侵入を抑制することができる。図４Ｂは、図４Ａに示す燃料電池１を図４Ａ中のＸ方向から見た模式図である。図４Ｃは、図４Ｂにしめす開口部１７の一部（図４Ｂにおける丸印部分）を拡大した模式図である。開口部１７のうち、図４Ｃに示すＹ部が実際に開口している部分に相当し、上記Ｙ部を通じてＭＥＡのカソードに空気が供給されることになる。

開口部１７の幅および長さ、開口部１７を格子状とした場合の図４Ｃに示すＹ部の大きさ、開口部１７に含まれるＹ部の数などは特に限定されない。カソードセパレータの大きさ、必要な電池特性などに応じて、任意に設定することができる。流路への一般的な塵埃の侵入を防ぐためには、Ｙ部の開口部分の面積を、例えば、１００μｍ²〜１０００μｍ²の範囲に設定すればよい。例えば、開口部１７の幅が２００μｍの場合、Ｙ部の開口部分の面積を１００μｍ²、隣り合うＹ部同士の間隔を５μｍに設定すればよい。また、格子状に加工する部分の厚さは、任意に設定すればよい。

なお、本実施の形態における燃料電池の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。

（実施の形態４）
図５は、本発明の半導体装置における燃料電池の別の例を示す断面模式図である。

図５に示す燃料電池１は、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１４とＭＥＡ１５とを含む単セルが複数積層された燃料電池である。また、図５に示す燃料電池１では、両端のセパレータを除き、アノードセパレータおよびカソードセパレータはセパレータ１８として一体化されている。セパレータ１８の一主面には燃料の流路１１が形成され、上記一主面とは反対側の主面には酸化剤の流路１３が形成されている。セパレータ１８は、アノードセパレータとカソードセパレータとの双方の役割を担っており、またセパレータ１８によって各単セルが直列に接続されている。

このような燃料電池とすることで、電池の発電面積は一定のまま、出力電圧を大きくすることができる。例えば、図５に示す例では、３セルを直列に接続しているため、燃料電池の出力電圧は単セルの約３倍になる。また、このように単セルを積層した燃料電池を備えることで、より汎用性に優れる半導体装置とすることができる。なお、単セルの積層数は、図５に示す３セルに限らず、必要な電池特性に応じて任意に設定することができる。

なお、単セルを積層する際には、図５に示すように、アノードセパレータとカソードセパレータとを一体化したセパレータ１８を用いる必要はない。例えば、単セル同士を単に積層してもよい。その際に、各単セルの間に燃料電池を冷却するための層を配置してもよい。また、本実施の形態における燃料電池の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。

（実施の形態５）
図６は、本発明の半導体装置における燃料電池の別の例を示す断面模式図である。

図６に示す燃料電池１は、アノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、アノードセパレータ１２およびカソードセパレータ１４に狭持されるＭＥＡ１５とを含んでいる。また、カソードセパレータ１４の酸化剤の流路には、撥水処理層１９が形成されている。

ＰＥＦＣでは、加湿した燃料や酸化剤をＭＥＡに供給する場合があり、また、発電によって水が生成することなどから、燃料や酸化剤の流路（特に酸化剤の流路）に液体の水が滞留する（フラッディング）ことがある。流路に水が滞留した場合、ＭＥＡへの燃料や酸化剤の供給が妨げられ、発電性能が低下する可能性がある。特に、カソードセパレータとして実施の形態３で示すような大気開放型のセパレータを用いた場合、酸化剤である空気を強制的に供給することができないため、フラッディングを起こす可能性が高くなる。また、燃料電池を高電流密度で発電する場合においても、生成する水の量が増加するためフラッディングが起きやすくなる。図６に示す燃料電池１のように、カソードセパレータ１４の酸化剤の流路に撥水処理層１９を形成することによって、酸化剤の流路から効率よく水を排出することができるため、より汎用性に優れる燃料電池とすることができる。また、このような燃料電池を備えることで、より汎用性に優れる半導体装置とすることができる。

撥水処理層１９としては、撥水効果を有する限り、特に限定されない。例えば、セパレータの流路にＨＭＤＳ（Ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌａｚａｎｅ）層をスピンコート塗布することによって形成してもよい。また、セパレータが結晶シリコンからなる半導体基板で形成されている場合、レーザー光の照射や、超高真空中における熱処理などによって撥水処理層を形成してもよい。この場合、レーザー光などにより結晶シリコンの表面に数ｎｍオーダーの凹凸が形成され、この凹凸によって撥水効果を得ることができる。

なお、図６に示す燃料電池１では、撥水処理層はカソードセパレータ１４にのみ形成されているが、アノードセパレータ１２に撥水処理層を形成してもよい。また、本実施の形態における燃料電池の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。

（実施の形態６）
本実施の形態では、本発明における半導体装置の製造方法について説明する。なお、本実施の形態における半導体装置の各部分に用いられる材料や各部分の厚さ、大きさなどは、実施の形態１に示した内容と同様である。

本発明における半導体装置の製造方法は、一対のセパレータによってＭＥＡを狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
（ｉ）半導体基板の一方の面上に半導体素子を形成する工程と、
（ii）前記半導体基板における前記一方の面とは反対側の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
（iii）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記ＭＥＡとが接するように前記半導体基板上に前記ＭＥＡを積層する工程とを含んでいる。

このような製造方法は、半導体加工プロセスを用いて実施することが可能である。そのため、燃料電池と半導体素子とが一体化されたコンパクトで汎用性に優れる半導体装置を、より生産性よく製造できる。また、半導体基板として大口径シリコンウェハーを用いれば、一度に大量の半導体装置を製造することも可能であり、この場合、より低いコストで半導体装置を製造できる。

上記製造方法では、前記半導体基板が、前記一方の面と前記反対側の面との間に絶縁層を備えていてもよい。

また、上記製造方法では、前記（ｉ）の工程が、
（ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含んでいてもよい。

この製造方法の一例を、図７Ａ〜図７Ｈを用いて説明する。なお、以下に説明する製造方法は、アノードセパレータ上に半導体素子が形成された半導体装置を製造する方法であるが、カソードセパレータ上に半導体素子が形成された半導体装置を製造する場合も同様である。

最初に、半導体基板７、絶縁層３、結晶シリコン層８が積層された積層体を形成する（図７Ａ）。上記積層体は、それぞれの層を堆積させることによって形成してもよいが、例えば、市販のＳＯＩ基板（例えば、ＳＯＩＴＥＣ（エスオーアイテック）社製、ＵＮＩＢＯＮＤ（ユニボンド）基板）を用いてもよい。それぞれの層の厚さは、半導体装置として必要な特性に応じて任意に設定すればよい。半導体基板７は最終的にアノードセパレータとなるため、その材料としては、実施の形態１におけるアノードセパレータに用いる半導体基板と同様であればよい。また、結晶シリコン層８には半導体素子が形成され、最終的に実施の形態１における結晶シリコン層５１となる。例えば、上記市販のＵＮＩＢＯＮＤ基板の一例では、半導体基板７は、導電型ｎ形、面方位（００１）、オリエンテーションフラット面の方位＜１１０＞、比抵抗が１０ｍΩ・ｃｍの半導体基板であり、厚さは６５０μｍとすることができる。絶縁層３は、ＳｉＯ₂からなり、厚さ４００ｎｍである。結晶シリコン層８は、厚さ２００ｎｍである。

次に、絶縁層３上に形成された結晶シリコン層８に半導体素子２を形成する（図７Ｂ）。図７Ｂに示す例では、半導体素子２として、図１に示すＣＭＯＳインバータ素子が形成されている。図７Ｂに示す半導体素子２の各部分は、基本的に図１に示す半導体素子２と同じであり、同一の部分には同一の番号を付している。ただし、図７Ｂに示す半導体素子２は、プラズマ窒化膜などからなるパッシベーション膜６７をさらに含み、また、後に外部配線を接続するための開口部６８が設けられている。また、半導体素子２と半導体基板７とを電気的に接続する電極４が絶縁層３に形成され、電極４と半導体基板７との間には、両者の接触抵抗を低減させるコンタクト層６９が配置されている。

絶縁層３上に半導体素子２を形成する工程としては、一般的な半導体素子形成工程（図７Ｂに示す例では、ＣＭＯＳインバータ素子形成工程）を用いればよい。また、半導体素子２の各部分、およびコンタクト層６９には、実施の形態１で示した材料を用いればよい。電極４と素子配線６３とは一体化して形成してもよい。

次に、以上のように得た半導体素子２、絶縁層３および半導体基板７の積層体に対し、半導体基板７における絶縁層３および半導体素子２が形成されている面とは反対側の面に、燃料が流れる流路１１を以下の手順で形成する。

まず、上記積層体を５ｗｔ％程度の希弗酸に３０秒程度浸漬させ、半導体基板７上の自然酸化膜を除去する。次に、半導体基板７における上記反対側の面を工程処理面として、Ａｓ原子を加速してイオン注入（例えば、加速電圧１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの範囲、ドーズ量１０¹⁴ｃｍ^-2〜１０¹⁶ｃｍ^-2の範囲で注入）し、さらに急速加熱処理（例えば、２００℃、１分）を行うことによって、導電型がｎ形である縮退したＡｓ拡散層７０を形成する（図７Ｃ）。Ａｓ拡散層７０の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲である。

次に、Ａｓ拡散層７０上にスパッタ法や真空蒸着法を用いてニッケル膜を堆積させ、さらに、急速加熱処理（例えば、４００℃、１分、ただし、熱処理温度は半導体素子２内の素子配線４３の融点未満）を行うことにより、ニッケルシリサイド膜７１を形成する（図７Ｄ）。Ａｓ拡散層７０およびニッケルシリサイド膜７１の積層膜が、コンタクト層１６となる。このとき、半導体基板７に注入する不純物原子や、不純物拡散層７０上に堆積する原子を変更することによって、コンタクト層１６の組成を制御することができる。なお、堆積させるニッケル膜の厚さは、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍの範囲であり、好ましくは０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲である。また、このとき厚さ０．０１μｍ〜１０μｍの範囲（あるいは、０．０１μｍ〜０．５μｍの範囲）のニッケルシリサイド膜を形成することができる。

次に、コンタクト層１６上に、形成する流路の形状に合わせたレジストパターン７２（厚さは、例えば、３０μｍ）を形成（図７Ｅ）した後、ドライエッチング処理などを行うことによって、半導体基板７に燃料の流路を形成する。このとき、レジストパターン７２の形状や、エッチング処理の時間を制御することによって、燃料の流路の幅や深さを制御することができる。その後、レジストパターン７２を除去することによって、一主面上に絶縁層３および半導体素子２が形成され、かつ、上記一主面とは反対側の面に燃料の流路１１が形成されたアノードセパレータ１２を得ることができる（図７Ｆ）。

アノードセパレータ１２の形成とは別に、上述した図７Ｃ〜図７Ｆに示す方法と同様の方法を用い、酸化剤の流路１３およびコンタクト層１６が形成されたカソードセパレータ１４を形成する（図７Ｇ）。アノードセパレータ１２の形成とは異なり、例えば、単層の半導体基板に不純物拡散層を形成する工程から始めればよい。

最後に、上記のようにして準備したアノードセパレータ１２と、カソードセパレータ１４と、別に準備したＭＥＡ１５とを、それぞれのセパレータの流路が形成された面とＭＥＡ１５とが接するように、積層する（図７Ｈ）。積層時には、必要に応じて圧力および温度を加えてもよいし、全体を樹脂などで被覆してもよい。その後、カソードセパレータ１４と半導体素子２とを外部配線を用いて接続することによって、図１に示すような半導体装置を得ることができる。

なお、本発明の半導体装置の製造方法では、上記アノードセパレータの製造工程において、半導体素子の形成と、燃料の流路の形成とを、順序を逆にして行っても（即ち、最初に燃料の流路を形成した後に半導体素子の形成を行っても）よい。

本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施の形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施の形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、上記説明ではなく添付したクレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。

以上のように、本発明によれば、コンパクトで汎用性に優れる、燃料電池を備える半導体装置を得ることができる。また、上記燃料電池を備える半導体装置をより生産性よく製造できる、燃料電池を備える半導体装置の製造方法を提供することができる。本発明の半導体装置は、電子回路装置、電源、光源、マイクロマシン、マイクロセンサーなどに用いることができる。

本発明における、燃料電池を備える半導体装置の一例を示す模式断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の別の一例を示す模式断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の別の一例を示す模式断面図である。 本発明の燃料電池を備える半導体装置における、燃料電池の一例を示す模式断面図である。 図４Ａに示す燃料電池を別の角度から見た模式図である。 図４Ｂに示す燃料電池の一部を拡大した模式図である。 本発明の燃料電池を備える半導体装置における、燃料電池の一例を示す模式断面図である。 本発明の燃料電池を備える半導体装置における、燃料電池の一例を示す模式断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明における、燃料電池を備える半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池を備える半導体装置（以下、単に「半導体装置」ともいう）は、燃料電池と半導体素子とを備え、
前記燃料電池は、燃料の流路が形成された板状のアノードセパレータと、酸化剤の流路が形成された板状のカソードセパレータと、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータに狭持される膜電極接合体とを含み、
前記半導体素子は、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータから選ばれる１つのセパレータの一主面上に形成されており、
前記半導体素子が形成されている１つのセパレータの一主面とは反対側の面に前記膜電極接合体が接しており、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータが前記膜電極接合体において発生した電力の集電体としての役割を担っており、
前記半導体素子と前記１つのセパレータとが電気的に接続されている。

上記燃料電池を備える半導体装置の製造方法は、
（ｉ）半導体基板の一方の面上に前記半導体素子を形成する工程と、
（ii）前記半導体基板における前記一方の面とは反対側の面に、燃料または酸化剤が流れる前記流路を形成する工程と、
（iii）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる前記１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含んでいる。

上記燃料電池を備える半導体装置の別の製造方法は、
（Ｉ）半導体基板の一方の面に、燃料または酸化剤が流れる前記流路を形成する工程と、
（II）前記半導体基板における前記流路が形成された面とは反対側の他方の面上に前記半導体素子を形成する工程と、
（III）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる前記１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含んでいる。

Claims (25)

1. 燃料電池と半導体素子とを備え、
   前記燃料電池は、燃料の流路が形成されたアノードセパレータと、酸化剤の流路が形成されたカソードセパレータと、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータに狭持される膜電極接合体とを含み、
   前記半導体素子は、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータから選ばれる１つのセパレータの一主面上に形成されており、
   前記半導体素子と前記１つのセパレータとが電気的に接続されている、
   燃料電池を備える半導体装置。
2. 第１および第２の半導体素子を含み、
   前記第１の半導体素子が、前記アノードセパレータの一主面上に形成されており、
   前記第２の半導体素子が、前記カソードセパレータの一主面上に形成されている請求項１に記載の燃料電池を備える半導体装置。
3. 前記１つのセパレータが、半導体基板で形成されている請求項１に記載の燃料電池を備える半導体装置。
4. 前記半導体基板が、結晶シリコンからなる請求項３に記載の燃料電池を備える半導体装置。
5. 前記半導体基板が、ＩＩＩｂ族元素およびＶｂ族元素を含む化合物半導体からなる請求項３に記載の燃料電池を備える半導体装置。
6. 前記半導体基板が、ＩＩｂ族元素およびＶＩｂ族元素を含む化合物半導体からなる請求項３に記載の燃料電池を備える半導体装置。
7. 前記アノードセパレータがｎ形半導体基板で形成されており、前記カソードセパレータがｐ形半導体基板で形成されている請求項３に記載の燃料電池を備える半導体装置。
8. 前記１つのセパレータと前記膜電極接合体との間に、前記１つのセパレータと前記膜電極接合体との接触抵抗を低減させるコンタクト層が配置されている請求項３に記載の燃料電池を備える半導体装置。
9. 前記半導体素子と、前記１つのセパレータとの間には、絶縁層が形成されている請求項１に記載の燃料電池を備える半導体装置。
10. 前記半導体素子と前記１つのセパレータとが、前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続されている請求項９に記載の燃料電池を備える半導体装置。
11. 前記絶縁層が、ＳｉＯ_２からなる請求項９に記載の燃料電池を備える半導体装置。
12. 前記絶縁層の比抵抗が、１０^５Ω・ｃｍ以上である請求項９に記載の燃料電池を備える半導体装置。
13. 前記絶縁層の厚さが、１０ｎｍ〜１μｍの範囲である請求項９に記載の燃料電池を備える半導体装置。
14. 前記１つのセパレータが、金属からなる請求項９に記載の燃料電池を備える半導体装置。
15. 前記絶縁層が、前記金属の酸化膜からなる請求項１４に記載の燃料電池を備える半導体装置。
16. 前記半導体素子は、第１の電極および第２の電極を含み、
    前記第１の電極と前記アノードセパレータとが電気的に接続しており、
    前記第２の電極と前記カソードセパレータとが電気的に接続している請求項１に記載の燃料電池を備える半導体装置。
17. 前記半導体素子が、ｎチャネルＭＯＳトランジスタであり、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタのソース電極および基板電極が前記アノードセパレータと電気的に接続しており、ドレイン電極およびゲート電極が前記カソードセパレータと電気的に接続している請求項１に記載の燃料電池を備える半導体装置。
18. 前記半導体素子が、ｐチャネルＭＯＳトランジスタであり、前記ｐチャネルＭＯＳトランジスタのソース電極およびゲート電極が前記アノードセパレータと電気的に接続しており、ドレイン電極および基板電極が前記カソードセパレータと電気的に接続している請求項１に記載の燃料電池を備える半導体装置。
19. 前記燃料電池は、前記アノードセパレータと前記カソードセパレータと前記膜電極接合体とを含むセルが複数積層されている請求項１に記載の燃料電池を備える半導体装置。
20. 一対のセパレータによって膜電極接合体を狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
    （ｉ）半導体基板の一方の面上に半導体素子を形成する工程と、
    （ｉｉ）前記半導体基板における前記一方の面とは反対側の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
    （ｉｉｉ）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含む、
    燃料電池を備える半導体装置の製造方法。
21. 前記半導体基板が、前記一方の面と前記反対側の面との間に絶縁層を備えている請求項２０に記載の燃料電池を備える半導体装置の製造方法。
22. 前記（ｉ）の工程が、
    （ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含む請求項２１に記載の燃料電池を備える半導体装置の製造方法。
23. 一対のセパレータによって膜電極接合体を狭持する構造を含む、燃料電池を備える半導体装置の製造方法であって、
    （Ｉ）半導体基板の一方の面に、燃料または酸化剤が流れる流路を形成する工程と、
    （ＩＩ）前記半導体基板における前記流路が形成された面とは反対側の他方の面上に半導体素子を形成する工程と、
    （ＩＩＩ）前記半導体基板を前記一対のセパレータから選ばれる１つのセパレータとして、前記流路が形成された面と前記膜電極接合体とが接するように前記半導体基板上に前記膜電極接合体を積層する工程とを含む、
    燃料電池を備える半導体装置の製造方法。
24. 前記半導体基板が、前記一方の面と前記他方の面との間に絶縁層を備えている請求項２３に記載の燃料電池を備える半導体装置の製造方法。
25. 前記（ＩＩ）の工程が、
    （Ａ）前記半導体素子と前記半導体基板とが前記絶縁層中に形成された電極を介して電気的に接続するように、前記絶縁層上に前記半導体素子を形成する工程を含む請求項２４に記載の燃料電池を備える半導体装置の製造方法。

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