JP2004245835A - 半導体基板に集積された磁界検出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は精密に磁界を測定することができ、超小型かつ低コストの半導体基板に集積された磁界検出素子及びその方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板に集積された磁界検出素子が開示される。磁界検出素子は、半導体基板に閉磁路を構成するよう形成された軟磁性コアと、軟磁性コアを捲線した形態金属膜で形成された磁界検出コイルと、軟磁性コアに直接電流を流し軟磁性コアを励磁させるドライブラインと、を含む。尚、ドライブラインは磁界検出コイルと直角をなすように形成され、励磁性コアの長手方向の両端に連結される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁界を検出する素子に関し、特に、半導体基板に集積された磁界検出素子及びその製造方法に関する。

磁界検出素子は、人の耳や目の感覚機関で直接感じられないが、多様の物理的現象を介してその存在が立証された磁気エネルギーを人が間接的に認識できるよう具現した装置である。かかる磁界検出素子として昔から軟磁性体とコイルを用いた磁気センサが用いられてきた。従来の磁気センサは、割合に大きい棒状のコアまたは軟磁性リボンで形成された環形コアにコイルを巻き込んで具現する。さらに、測定された磁界に比例する磁界を人が認識できるよう電子回路が用いられる。

しかし、従来の磁界検出素子は、大きい棒状のコアあるいは軟磁性リボンによる環形のコアにコイルが捲線されているため、製造費用が高くなり磁界検出素子の体積も大きくなる不具合がある。

また、励磁コイルによって発生される磁速変化及び検出磁界は、コアによる磁速漏れの問題を生じさせるので高感度の磁界検出が難しくなりがちである。

従って、前述の問題を解決するために磁界測定をより精密にし、超小型かつ低コストの磁界検出素子に関する発明が必要である。

本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、精密に磁界を測定することができ、超小型かつ低コストの半導体基板に集積された磁界検出素子及びその製造方法を提供することにある。

前述のような本発明の目的は、半導体基板に閉磁路を構成するよう形成された軟磁性コアと、軟磁性コアを捲線した形態の金属膜で形成された磁界検出コイルと、軟磁性コアに直接電流を流し軟磁性コアを励磁させるドライブラインと、を含むことを特徴とする半導体基板に集積された磁界検出素子を提供することで達される。

尚、ドライブラインは磁界検出コイルと直角をなすように形成され、励磁性コアの長手方向の両端に連結されたことを特徴とし、軟磁性コアの長手方向が磁界検出軸の方向になるよう形成されたことが好ましい。

また、磁界検出コイルは、ソレノイド状で捲線されたことが好ましい。

本発明の他の側面によれば、前述のような本発明の目的は、半導体基板の上面に磁界検出コイルの下部に応じるパターンを形成し、パターンに金属を１次投入して磁界検出コイルの下部を形成するステップと、金属が１次投入された半導体基板の上部で第１の絶縁膜を形成するステップと、第１の絶縁膜の上部に軟磁性体膜を積層してパターン形成とエッチングを介して軟磁性コアを形成するステップと、軟磁性コアが形成された半導体基板の上部で第２の絶縁膜を形成するステップと、第２の絶縁膜に磁界検出コイルの下部を形成する１次金属に連通される貫通孔と軟磁性コアに連通される貫通孔をそれぞれ形成するステップと、第２の絶縁膜の上部に磁界検出コアの上部に応じるパターンを形成した後、そのパターンに金属を２次投入して磁界検出コイルの上部を形成するステップと、金属が２次投入された半導体基板の上部に保護膜を形成するステップと、を含むことを特徴とする半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法を提供することで達される。

尚、磁界検出コイルの下部を形成するステップは、半導体基板の上面に酸化膜を形成するステップと、酸化膜の上部に導電膜を形成するステップと、導電膜の上部にフォトレジストを塗布するステップと、フォトレジストに露光及び現像過程を介して磁界検出コイルの下部に応じるパターンを形成するステップと、パターンされた領域に金属が嵌め込まれるよう半導体基板の上部に金属を１次投入するステップと、パターンがなされた残留のフォトレジスト及び残留のフォトレジストの下部に当該する導電膜を取り除くステップと、を含むことを特徴とする。

また、軟磁性コアを形成するステップは、第１の絶縁膜の上部に軟磁性体膜を形成するステップと、軟磁性体膜の上部にフォトレジストを塗布するステップと、フォトレジストに露光及び現像過程を介して軟磁性コアに応じるパターンを形成するステップと、パターンされた領域外の軟磁性体膜を取り除くステップと、パターンがなされた残留のフォトレジストを取り除くステップと、を含むことを特徴とする。

そして、磁界検出コイルの上部を形成するステップは、貫通孔が形成された第２の絶縁膜の上部に導電膜を形成するステップと、導電膜の上部にフォトレジストを塗布するステップと、フォトレジストに露光及び現像過程を介して磁界検出コイルの上部に応じるパターンを形成するステップと、パターンされた領域に金属が嵌め込まれるよう金属を２次投入するステップと、パターンがなされた残留のフォトレジスト及び残留のフォトレジストの下部に当該する導電膜を取り除くステップと、を含むことを特徴とする。

尚、軟磁性コア端子は、軟磁性コアの長手方向の両端に形成されることが好ましい。

前述のように本発明による半導体基板に集積された磁界検出素子によれば、消費電力が少ないだけでなく精密に磁界を測定することができる。また、超小型でありながら製造コストが手ごろな磁界検出素子を提供することができる。

さらに、本発明による半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法によれば、精密に磁界を測定することができ、超小型でありながら製造コストが手ごろな磁界検出素子を提供することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。

図１は、本発明の実施例による半導体基板に集積された磁界検出素子を示す平面図である。同図を参照すると、磁界検出素子は、長方形のバー状の軟磁性コア４０と、該軟磁性コア４０をソレノイド状で捲線している磁界検出コイル２０と、軟磁性コア４０の両端に連結されたドライブライン５０を含む。本発明による磁界検出素子は、軟磁性コア４０を磁化させるために別のコイルを使用せず、ドライブライン５０を介して軟磁性コア４０に直接電流を流すことによって発生する励磁磁界を用いて外部磁界を検出する。つまり、従来の磁界検出素子とは相違に、励磁磁界を発生させるための励磁コイルを使用しない。図１の２０ａは磁界検出コイル２０を外部の電子回路（図示せず）と連結するためのコイルパッド部であり、５０ａは軟磁性コア４０に電流を流すドライブライン５０に外部電源（図示せず）を連結するための電源パッドである。

前述のような半導体基板に集積された磁界検出素子の断面構造が図２に図示されている。同図を参照すると、半導体基板１０上に絶縁膜１１が形成されており、絶縁膜１１の上部には磁界検出コイルの下部２２が形成されている。下部磁界検出コイル２２の上部には閉磁路を構成する軟磁性コア４０が形成され、該軟磁性コア４０の上部には磁界検出コイルの上部２６が形成されている。尚、図面には示されていないが、下部磁界検出コイル２２と上部磁界検出コイル２６とは、軟磁性コア４０をソレノイド状で包み込む１つのコイルになるよう相互連通されている。軟磁性コア４０は、絶縁物質３０に取り囲まれ磁界検出コイル２０と絶縁されている。さらに、軟磁性コア４０の両端には、軟磁性コア４０に励磁電流を流すドライブライン５０が連結されている。尚、ドライブ５０は、磁界検出コイル２０を構成するそれぞれのコイル線に対して直角で配列されている。

このように構成された半導体基板に集積された磁界検出素子の動作を詳説すれば次の通りである。

ドライブライン５０を介して電流を印加すると、軟磁性コア４０の内部に図３のように励磁磁界４２が発生する。かかる励磁磁界４２により軟磁性コア４０が磁化されるが、厚さ方向では反磁界が強いため磁化がほとんどなされず、軟磁性コア４０の表面と底面にのみ図３に示す励磁磁界４２の方向で磁化される。かかる磁化の方向は、ソレノイド状で軟磁性コア４０に捲線された磁界検出コイル２０のそれぞれのコイル線方向とほぼ平行とする。

尚、軟磁性コア４０において励磁磁界４２により発生される磁化は、ドライブライン５０に流れる励磁電流のサイズ及び波形によって変わるが、本実施例では軟磁性コア４０が磁化される方向が磁界検出コイル２０の捲線方向と平行をなすため、励磁電流の変化に係る誘導波形が磁界検出コイル２０に表れない。従って、測定しようとする外部磁界がゼロの時、磁界検出コイル２０には誘導波形が表れない。つまり、軟磁性コア４０の長手方向が磁界検出軸の方向である。

このような状態で軟磁性コア４０の長手方向に外部磁界が作用すれば、磁界検出コイル２０に電圧が誘導されるので、該電圧を外部の電子回路に連結し外部磁界を検出することができる。

かかる構造を有する磁界検出素子は、軟磁性コアを磁化させるための励磁コイルが別途に必要とされない。そのため、磁界検出コイルと励磁コイルとを順番に捲線する、一般的な磁界検出素子に比べてコイル線との間の間隔を半分に縮めることができるという利点がある。さらに、軟磁性コアが励磁コアの役割を果たすため軟磁性コアの形態及び厚さ調節を介して抵抗を自在に変化させ得る利点がある。かかる特性を介して軟磁性コアの抵抗を著しく小さくすることで消費電力も減少させ得る。従って、本発明によれば、励磁コイルに該当する軟磁性コアの抵抗を極小にすることができ、磁界検出コイルの間隔を現在の集積回路（ＩＣ）の線幅加工のレベルのように小さくすることが可能なので出力及び感度が大きく増加した磁界検出素子を提供することができる。

図４ａないし図４ｋは、半導体基板上に磁界検出素子を製造する工程を示す断面図であり、図１の磁界検出素子のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面の状態を示す。図４ａないし図４ｋにて、左側はＩ―Ｉ’線に沿って切断した断面の状態であり、右側はII―II’線に沿って切断した断面の状態である。

以下、添付の図面を参照して半導体基板に集積された磁界検出素子の製造工程を説明する。

まず、半導体基板１０の上面に磁界検出コイルの下部２２に応じるパターンを形成し、前記パターンに金属を１次投入して磁界検出コイルの下部２２を形成する。このような磁界検出コイルの下部２２を形成する工程の一実施例を詳説する。

半導体基板１０上に絶縁のための酸化膜１１を形成し酸化膜１１の上部に導電膜２１を形成する。導電膜２１は、後で電解メッキによりメッキを行なう場合、電流が流れるようその役割を果たす（図４ａ参照）。この際、導電膜を形成するために用いられる材料は、一般の半導体製造工程にて使用されるクロム（Ｃｒ）や金（Ａｕ）などが用いられる。

導電膜２１の上部に磁界検出コイルの下部２２を形成することができるようにフォトレジスト２３を塗布し、露光と現像過程を介して下部磁界検出コイルのパターンを形成する（図４ｂ参照）。

その後、下部磁界検出コイルのパターンの凹部２４に金属を１次投入して磁界検出コイルの下部２２を形成する（図４ｃ参照）。尚、下部磁界検出コイルのパターンに金属を嵌め入れるには、電解メッキを用いることが好ましい。すると、パターンの凹部２４に露出された導電膜２１の金属が積層され下部磁界検出コイル２２をなす。下部磁界検出コイル２２の形成が完了されれば、パターンを形成したフォトレジスト２３を取り除き、各コイル線が相互絶縁されるようにフォトレジスト２３の下部に配した導電膜２１を取り除く（図４ｄ参照）。

また、下部磁界検出コイル２２が形成された半導体基板の上面に第１の絶縁膜３０を形成する（図４ｅ参照）。

そして、第１の絶縁膜３０の上部に軟磁性体膜を積層してパターン形成とエッチングを介して軟磁性コア４０を形成する。かかる軟磁性コア４０を形成する工程につき次のように詳説する。

まず、第１の絶縁膜３０の上部に軟磁性体膜を形成し、軟磁性体膜の上部にフォトレジストを塗布する。つづき、フォトレジストに露光及び現像の過程を介して軟磁性コア４０に応じるパターンを形成する。その後、エッチングなどを介してパターンされた領域以外の軟磁性体膜を取り除き軟磁性コア４０を形成し、軟磁性コア４０のパターンをなした残留フォトレジストを取り除く（図４ｆ参照）。

軟磁性コア４０が形成された半導体基板１０の上面に第２の絶縁膜３２を形成した後、下部磁界検出コイル２２を形成する１次金属と連通される貫通孔２９を形成する。この場合、軟磁性コア４０の長手方向の両断面近くにも軟磁性コア４０に連結される貫通孔４２を形成する（図４ｇ参照）。

第２の絶縁膜３２の上部に磁界検出コイルの上部２６に応じるパターンを形成した後、そのパターンに金属を２次投入させて磁界検出コイルの上部２６を形成する。このような磁界検出コイル２６を製造する工程の一実施例を詳説すると次の通りである。

まず、貫通孔２９、４２が形成された第２の絶縁膜３２の上部に導電膜２５を形成し、導電膜２５の上部にフォトレジスト３４を塗布する。続いて、フォトレジスト３４に露光及び現像過程を用いて磁界検出コイルの上部２６と軟磁性コア端子５０に応じるパターンを形成する（図４ｈ参照）。

上部磁界検出コイルと軟磁性コア端子のパターンの凹部２７、４２に金属が挟み込まれるように金属を２次投入して磁界検出コイルの上部２６と軟磁性コア端子５０を形成する（図４ｉ参照）。この際、上部磁界検出コイル２６と軟磁性コア端子５０のパターンに金属を入れることは、電解メッキを用いることが好ましい。すると、パターンの凹部２７、４２に露出された導電膜２５に金属が積層され、上部磁界検出コイル２６と軟磁性コアの端子５０をなすようになる。上部磁界検出コイル２６と軟磁性コア端子５０の形成が完了されれば、パターンを形成したフォトレジスト３４を取り除き、上部磁界検出コイル２６の各コイル線と軟磁性コアの端子５０が相互絶縁されるようにフォトレジスト３４の下部に配する導電膜２５を取り除く（図４ｊ参照）。

それから上部磁界検出コイル２６が形成された半導体基板１０の上部に保護膜６０を塗布し、保護膜６０に軟磁性コア端子５０に連結される貫通孔６１と磁界検出コイル２０に連通される貫通孔を形成することで磁界検出素子の製造が完了される（図４ｋ参照）。

以上で説明したように本発明に係る磁界検出素子は、軟磁性コアを励磁コイルとして使用するので磁界検出コイルを現在の集積回路の線幅を形成することが可能な間隔程度で密接に形成することができるため磁界を検出する感度を向上させ得る。さらに、軟磁性コアの形態及び厚さを調節して軟磁性コアの抵抗を減少させることができるので消費電力の少ない磁界検出素子を提供することができる。また、感度を高め、消費電力は減少させるために磁界検出コイルの断面比（aspect ratio）を大きくする必要がないので製造工程も容易になり、かつ大量の製造が可能であるため低コストとなる。

以上、図面を参照して本発明の好適な実施形態を図示および説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明は磁界検出素子に適用され得る。そして、半導体基板に集積された磁界検出素子及びその製造方法に適用され得る。

本発明による半導体基板に集積された磁界検出素子の一実施例を示す平面図である。 本発明による半導体基板に集積された磁界検出素子の構造を示す断面図である。 図２の磁界検出素子で励磁電流により軟磁性コアに発生する磁界を説明するための説明図である。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（１）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（２）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（３）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（４）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（５）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（６）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（７）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（８）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（９）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（１０）。 図１に示す磁界検出素子を半導体基板上に製造を工程を説明するために図１のＩ―Ｉ’線及びII―II’線に沿って切断された断面を示す断面図である（１１）。

符号の説明

１０ 半導体基板
１１ 酸化膜
２１、２５ 導電膜
２２ 下部磁界検出コイル
２３、２４ フォトレジスト
２６ 上部磁界検出コイル
３０ 第１の絶縁膜
３２ 第２の絶縁膜
４０ 軟磁性コア
４２ 励磁磁界
５０ 軟磁性コア端子
６０ 保護膜

Claims (12)

1. 半導体基板に閉磁路を構成するよう形成された軟磁性コアと、
   前記軟磁性コアを捲線した形態の金属膜で形成された磁界検出コイルと、
   前記軟磁性コアに直接電流を流し前記軟磁性コアを励磁させるドライブラインと、を含むことを特徴とする半導体基板に集積された磁界検出素子。
2. 前記ドライブラインは、前記磁界検出コイルと直角をなすように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子。
3. 前記ドライブラインは、前記励磁性コアの長手方向の両端に連結されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子。
4. 前記軟磁性コアの長手方向が磁界検出軸の方向に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子。
5. 前記磁界検出コイルは、ソレノイド状で捲線されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子。
6. 半導体基板の上面に磁界検出コイルの下部に応じるパターンを形成し、前記パターンに金属を１次投入して前記磁界検出コイルの下部を形成するステップと、
   前記金属が１次投入された前記半導体基板の上部で第１の絶縁膜を形成するステップと、
   前記第１の絶縁膜の上部に軟磁性体膜を積層してパターン形成とエッチングを介して軟磁性コアを形成するステップと、
   前記軟磁性コアが形成された前記半導体基板の上部で第２の絶縁膜を形成するステップと、
   前記第２の絶縁膜に前記磁界検出コイルの下部を形成する１次金属と連通する貫通孔と前記軟磁性コアに連通される貫通孔とをそれぞれ形成するステップと、
   前記第２の絶縁膜の上部に前記磁界検出コイルの上部に応じるパターンを形成した後、そのパターンに金属を２次投入し前記磁界検出コイルの上部を形成するステップと、
   前記金属が２次投入された前記半導体基板の上部に保護膜を形成するステップと、を含むことを特徴とする半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法。
7. 前記磁界検出コイルの下部を形成するステップは、
   前記半導体基板の上面に酸化膜を形成するステップと、
   前記酸化膜の上部に導電膜を形成するステップと、
   前記導電膜の上部にフォトレジストを塗布するステップと、
   前記フォトレジストに露光及び現像過程を介して前記磁界検出コイルの下部に応じるパターンを形成するステップと、
   前記パターンされた領域に金属が嵌め込まれるよう前記半導体基板の上部に金属を１次投入するステップと、
   前記パターンがなされた残留のフォトレジスト及び前記残留のフォトレジストの下部に当該する導電膜を取り除くステップと、を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法。
8. 前記軟磁性コアを形成するステップは、
   前記第１の絶縁膜の上部に軟磁性体膜を形成するステップと、
   前記軟磁性体膜の上部にフォトレジストを塗布するステップと、
   前記フォトレジストに露光及び現像過程を介して前記軟磁性コアに応じるパターンを形成するステップと、
   前記パターンされた領域外の前記軟磁性体膜を取り除くステップと、
   前記パターンがなされた残留のフォトレジストを取り除くステップと、を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法。
9. 前記磁界検出コイルの上部を形成するステップは、
   前記貫通孔が形成された前記第２の絶縁膜の上部に導電膜を形成するステップと、
   前記導電膜の上部にフォトレジストを塗布するステップと、
   前記フォトレジストに露光及び現像過程を介して前記磁界検出コイルの上部に応じるパターンを形成するステップと、
   前記パターンされた領域に金属が嵌め込まれるよう金属を２次投入するステップと、
   前記パターンがなされた残留のフォトレジスト及び前記残留のフォトレジストの下部に形成された導電膜を取り除くステップと、を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法。
10. 前記軟磁性コアに連通された貫通孔は、前記軟磁性コアの長手方向の両端に形成されたことを特徴とする請求項６に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法。
11. 前記軟磁性コアの長手方向は、磁界検出軸の方向で形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法。
12. 前記磁界検出コイルは、ソレノイド状で捲線されたことを特徴とする請求項６に記載の半導体基板に集積された磁界検出素子の製造方法。

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