JP2004519870A - 低減されたオフセット信号を持つホール・センサ - Google Patents

Abstract

ホール・センサ（１）は、活性領域内に電流を発生させるために活性領域（５）を間に画定する２つの相対する電流供給コンタクト電極（７ａ、７ｃ）と、ホール電圧をタップオフするための２つの相対する電圧タップ・コンタクト電極（７ｂ、７ｄ）を備え、それぞれのコンタクト電極で活性領域（５）に面する部分は、スピン電流作用のオフセット低減効果に対するコンタクトの妨害作用が低減されるように形成されている。

Description

【０００１】
本発明はホール・センサに関し、さらに詳しくは、オフセット信号の低減のために改善されたコンタクト電極形状をもち、ＣＭＯＳ技術で実現されたホール・センサに関する。
【０００２】
一般的に、ホール・センサは、ｐドープ半導体基板上のｎドープ活性半導体領域から構成される。通常、ｎドープ活性領域は、活性領域に対角線方向に相対して配置された４つのコンタクト電極を介して外部制御ロジックに接続される。４つのコンタクト電極は、活性領域に電流を発生させるために設けられた２つの相対する制御電流コンタクト電極と、印加磁場の存在時に活性領域内の電流に垂直に発生するセンサ信号としてのホール電圧をタップオフ（ｔａｐ−ｏｆｆ）するために設けられた２つの対向する電圧タップ・コンタクト電極に分けられる。
【０００３】
通常、上述した構成を持つホール・センサでは、活性センサ領域について、図５及び６に示される２つの既知の形状がある。図５は方形のホール・センサ２０を示し、そのコンタクト電極２２ａ−ｄは活性領域２４の隅にそれぞれ配置されている。この既知のホール・センサ構成をもつホール・センサのコンタクト電極２２ａ−ｄの形状は通常、方形である。このホール・センサ２０の動作中、対角線方向に相対する２つのコンタクト電極２２ａ、２２ｃ間には、印加磁場の存在時に他の２つのコンタクト電極２２ｂ、２２ｄ間でホール電圧をタップオフできるように電流が供給される。
【０００４】
図６は「ギリシャ十字」の形状の十字形ホール・センサ構成３０を示し、そこでは矩形のコンタクト電極３２ａ−ｄが十字アームの端部にそれぞれ存在し、コンタクト電極３２ａ−ｄの後部境界が活性領域３４の境界と一致している。コンタクト電極３２ａ−ｄの幅は十字アームの幅と一致する。つまり、コンタクト電極３２ａ−ｄは、それぞれの十字アームにおいて活性領域３４の全幅にわたって伸長する。方形のホール・センサと同様に、十字形ホール・センサの動作中、２つの相対するコンタクト電極３２ａ、３２ｃ間には、印加磁場の存在時に２つのコンタクト電極３２ｂ、３２ｄ間でホール電圧をタップオフできるように電流が供給される。
【０００５】
しかし、半導体構造を製造するためのＣＭＯＳプロセスでは、製造工程のために活性領域の半導体材料に異質物又は欠陥がしばしば発生する。これらの異質物は、高価な製造方法を用いても完全には回避できない。しかし、これらの異質物は、センサ信号のオフセット発生の原因であることがよくある。これは、磁場が活性領域に印加されないときでも、ホール電圧がタップオフされるコンタクト電極にセンサ信号が検出されることを意味する。この妨害センサ信号は、有効センサ信号オフセット又は単にオフセット信号と呼ばれる。これらの異質物が活性領域の不都合な位置にある場合、既知のホール・センサ素子では、活性領域の電流線が不都合に変化し、結果として活性領域における局所的な高抵抗となりうるので、比較的高いオフセット信号が存在し得る。そのため、ホール・センサ素子に発生するセンサ信号のオフセットは、異質物の数及びそれらの異質物の位置に強く依存する。
【０００６】
従来のホール・センサ素子における異質物に対するオフセット信号のこの強い依存性のため、大きい典型的変動が発生する。さらに、ホール・センサの感度及び測定精度が強く影響を受ける。この理由から、センサ信号のオフセット補償及び正確な評価は一般的に、非常に高価な回路技術を必要とする。
【０００７】
この先行技術から出発して、センサ信号におけるオフセットを低減した改善ホール・センサ素子を提供することが本発明の目的である。
【０００８】
この目的は、請求項１に記載のホール・センサ素子によって達成される。
【０００９】
本発明は、２つの相対する電力供給コンタクト電極とそれらの間に画定された活性領域をもってその活性領域に電流を発生させるとともに、ホール電圧をタップオフするための２つの相対する電圧タップ・コンタクト電極を持つホール・センサ素子であって、それぞれのコンタクト電極で活性領域に面する部分が、スピン電流作用のオフセット低減効果に対するコンタクト電極の妨害作用を低減するような仕方で形成されていることを特徴とするホール・センサ素子を提供する。
【００１０】
本発明は、ホール・センサ素子で発生するセンサ信号のオフセットが、使用されるコンタクト電極の形状の適切な選択によって強く低減できるという認識に基づいている。すなわち、センサ信号のオフセットを小さくするためには、従来のセンサ構造が主に前提としているような、半導体材料の理想的な状態、つまり異質物のない状態における制御電流の均質な電流密度分布だけが重要なのではなく、活性領域の半導体材料及び、特にコンタクトにおけるこの異質物又は妨害のために電流密度分布がいかに変化するかがはるかに重要である。結果として起こるオフセット値の変動を低く維持するためには、やはり、センサ信号のオフセットは半導体材料における異質物又は妨害の位置にできるだけ無関係でなければならない。
【００１１】
本発明による形状の利点は以下の文脈に基づいている。ホール素子の外部から測定可能なオフセットは、次の３つの基本的要素に依存する。
− 素子における効果の強度及び広がり
− 素子の動作電圧
− 素子の形状
【００１２】
最初の２つの要素はこの文脈ではこれ以上考慮しない。この場合、変化のために残されるのは形状だけである。形状は、素子の特性に対して広大かつ多様な影響を持つ。コンタクトの形状と以下で説明するスピン電流によって低減される素子のオフセットとの間には、特別な関係が存在する。
【００１３】
スピン電流法は、測定方向が絶えず周期的に、特定のクロック周波数で例えば９０％だけ回転する、つまり、１つのコンタクト電極から相対するコンタクト電極に動作電流が流れ、そこでホール電圧が対角線方向に相対するコンタクト電極でタップオフされ、それにより次のサイクルでは測定方向が９０％回転する、という事実から成る。測定されたホール電圧は加算されてオフセット電圧は１サイクル内で相互にほとんど相殺されるはずであり、信号のうち真に磁場に依存する部分が残されるようになる。
【００１４】
スピン電流無しの動作時でも、選択された素子及びコンタクト形状によって、影響が障害とならない位置と、それらが大きいオフセットを生じる位置が生じる。良い例は、２つの制御電流コンタクト間の接続線である。対称性のため、この接続線上の欠陥はオフセットにつながらない。しかし、この線からわずかに逸脱するや否や、両方の点における電流密度がほぼ同一でありかつ無視できるほどには小さくないにもかかわらず、ただちにホール・コンタクトに測定可能なオフセットが生じる。
【００１５】
スピン電流で動作中には、形状によって、オフセットに対する特定の位置における欠陥の効果を説明する感度関数が場所全体に生じる。有限延長制御又はホール・コンタクトの場合、この関数は比較的複雑のように見える。通常のホール・クロス（ｈａｌｌ ｃｒｏｓｓ）では、この関数はそれぞれ相対するコンタクト間、及びさらにクロスの内部領域の二等分線間を結ぶ接続線上に零点を持つ。残りの輪郭線、及びそれによって特に活性領域におけるこの関数の極値は、素子及びコンタクトの形状の適切な選択によって影響を受けることがあり得る。通常、オフセットに高い関連性がある場所は素子及びコンタクトの縁にあり、一方内部領域は通常新しい局所的極値を持たない。形状の変形により素子の全ての他の特性もまた変化し得るので、コンタクトの変化のために全ての他の特性について考慮する必要がある。
【００１６】
本発明によるコンタクトでは、高い歩留まり及びほとんど変化しない感度で低いオフセットが達成できるような方法で、形状が形成された。
【００１７】
実効的な解像度は、それ故、素子の低オフセットにより増加する。
【００１８】
本発明の好適な実施形態を添付の図面を参照しながら以下にさらに詳しく説明する。
【００１９】
図１を参照すると、矩形ホール・センサ素子１の一般構成が示されている。好ましくはｐドープされた半導体基板３上に、通常ｎドープされた矩形活性半導体領域５が配置されている。ｎドープ活性領域５の隅に近接して、通常ｎ^＋ドーピングによって得られるコンタクト電極７ａ−ｄが配置されている。コンタクト電極７ａ−ｄは、ｐドープ基板によって包囲されたｎドープ活性領域５内にそれぞれ対角線方向に相対して配置されている。コンタクト電極７ａ−ｄで活性領域５に面する部分の点線で示した輪郭は、各々以下で図２ａ−ｆを参照しながら詳細に説明するコンタクト電極７ａ−ｄのさらに異なる新しい構造を示すものである。
【００２０】
図２ａ−ｅでは、コンタクト電極７ａ−ｄの様々な好適な形状が示されている。他のコンタクト電極７ｂ−ｄは通常同一構造を持ち、かつ活性領域５の他の隅に対称的に配置されているので、以下の説明を簡潔にするために、一定の比率で拡大され、コンタクト構造７ａが配置されたホール・センサ素子１の１つの隅領域（図１のセクションＩの破線の円を参照）だけが示されている。説明を簡潔にするために、図２ａ−ｅに示すコンタクト電極７ａ−ｄははっきりと２つの部分、つまり１つは活性領域５に面する部分、及び１つは活性領域５から離れる方を向いた部分に分けられる。さらに、コンタクト電極７ａ−ｄの本発明の構造がその間に存在する２つの端点Ａ及びＢがコンタクト電極７ａ−ｄに定義されている。
【００２１】
図２ａの実施形態では、コンタクト電極７ａで活性領域５に面する部分は直線として形成されているので、コンタクト電極７ａは二等辺三角形の形状に形成されている。
【００２２】
図２ｂはコンタクト電極７ａの構造についての一実施形態を示しており、そこではコンタクト電極７ａで活性領域に面する部分の端点Ａ、Ｂが階段状又はステップ状に接続され、図２ｂに示されるコンタクト電極形状の階段状又はステップ状輪郭が形成されている。
【００２３】
図２ｃは、活性領域に向かって湾曲した、端点Ａ、Ｂ間の円線分形状構造を有するコンタクト電極形状を示している。コンタクト電極のこの湾曲構造はまた楕円形、放物線形、又は双曲線形の輪郭をとることもできる。
【００２４】
図２ｄには、コンタクト電極７ａで活性領域に面する部分が二等辺台形の形状を持ち、台形の長い底辺がコンタクト電極形状の端点Ａ及びＢ間を通るコンタクト電極形状が示されている。
【００２５】
図２ｅには、活性領域５に面する台形の短い底辺が、活性領域の方向に湾曲した円線分形状、楕円形、放物線形、又は双曲線形の輪郭を有するという点で、図２ｄの構造に比べてさらに発展したコンタクト電極７ａの構造が示されている。
【００２６】
上述のコンタクト電極形状は、厳密な数学的記述のために多角形の列（ｐｏｌｙｇｏｎ ｔｒａｉｎ）によって近似することもできる。
【００２７】
オフセット信号が著しく低減したホール・センサの最適動作特性を得るためには、つまり、ホール・センサの活性領域における電流密度分布が半導体材料内の異質物又は欠陥の位置にほとんど無関係になるようにするためには、コンタクト電極の側辺の長さは、活性領域の側辺の長さのせいぜい２０％とすべきであることも明らかになった。
【００２８】
さらに、コンタクト電極７ａ−ｄで活性領域から離れる方向を向いた部分の構造が、図２ａ−ｆに示されるような三角形の輪郭に限定されず、それぞれの適用の事例、例えば外部と接触するのに、又はコンタクト電極にリードを付けるのに適した形状を持つことができることに注意されたい。コンタクト電極７ａ−ｄで活性領域から離れる方向を向いた部分の輪郭は、本発明の主題にとって本質的なものではない。
【００２９】
ホール・センサ素子のコンタクト電極の上述の新しい構造により、例えば活性領域の半導体材料に製造時に生じた異質物のために発生し、ホール電圧信号と重なる、好ましくないオフセット信号は低減することができる。この改善は、生じるオフセット信号が半導体材料の異質物又は欠陥の位置にほとんど無関係になるような本発明のコンタクト電極構造によって達成される。それによって、典型的変動を低減することができ、上述の新規なコンタクト構造を使用したホール・センサ素子の測定精度を改善することができる。
【００３０】
図３ａを参照すると、十字形ホール・センサ素子１０の一般構成が示されている。好ましくはｐドープされた半導体基板１３上に、通常ｎドープされた十字形活性半導体領域１５が配置されている。活性領域１５の十字アームの端の近くに、一般にｎ^＋クラスのドーピングによって得られるコンタクト電極１７ａ−ｄが配置されている。ホール・センサ素子内に電流を発生させるため、及び印加磁場の存在時に発生するホール電圧をタップオフするために設けられたそれぞれのコンタクト電極１７ａ−ｄが、十字アームに対称的に相対して配置されている。コンタクト電極で活性領域に面する部分の点線で示した曲線は、図１に対応し、以下に図４ａ−ｇを参照しながら詳細に説明するコンタクト電極１７ａ−ｄのさらに異なる新しい構造を示すものである。
【００３１】
当然、内側に突出した素子の隅が図３ｂ−ｄに示す例によって変化した変形十字素子を使用することができる。それ故、図３ｄは方形素子との境界の事例と見ることができる。
【００３２】
コンタクト電極１７ａ−ｄの様々な好適な形状を図４ａ−ｇに示す。他のコンタクト電極１７ｂ−ｄは同一構造を持ち、かつ活性領域１５の他の十字アームに対称的に配置されるので、以下の説明を簡潔にするために、図４ａ−ｇではホール・センサ素子１０のコンタクト電極１７ａが配置された１つの十字アームだけを示す（図３ａのセクションＩＩの点線の円を参照）。説明を簡潔にするために、図４ａ−ｇに示されたコンタクト電極ははっきりと２つの部分、つまり活性領域に面する部分と活性領域から離れる方を向いた部分に分けられている。さらに、コンタクト電極１７ａ−ｄの本発明による構造がその間に存在する２つの端点Ｃ及びＤが再び定義されている。
【００３３】
図４ａに示す最も簡単な例では、コンタクト電極１７ａの形状は矩形の輪郭を持ち、コンタクト電極１７ａはｎドープ材料によって完全に包囲されている。
【００３４】
図４ｂには、コンタクト電極１７ａで活性領域１５に面する部分のさらに可能な輪郭が示されている。この輪郭は、端点Ｃ、Ｄ間の矩形の延長として形成されている。
【００３５】
図４ｃは、コンタクト電極１７ａが端点Ｃ、Ｄ間に活性領域に向かって湾曲した円線分形状の輪郭を有するコンタクト電極形状を示す。輪郭はさらに楕円、放物線形、又は双曲線形とすることができる。
【００３６】
コンタクト電極１７ａで活性領域に面する部分の形状はさらに、図４ｄに示されるように、台形の長い底辺が端点ＣとＤ間の仮想接続線と一致する台形の輪郭をとることができる。
【００３７】
図４ｅには、台形の短い底辺が活性領域の方向に湾曲した円線分形状、楕円形、放物線形状、又は双曲線形状の輪郭を持つように、図４ｄに示された構造に比べてさらに発展したコンタクト電極１７ａの構造が示されている。
【００３８】
図４ａ−ｇに示されているように、コンタクト電極の形状のさらなる構造は、コンタクト電極で活性領域から離れる方向を向いた部分が少なくとも部分的にｐドープ基板領域まで伸長するものとすることができる。そのような構造の１つの実施形態は図４ｆに例示的に示されている。しかし、この例で示されている端点Ｃ、Ｄ間のコンタクト構造１７ａの円線分形状の輪郭は、図４ａ−ｅに示されている全ての他のコンタクト電極の曲線を持つこともできる。
【００３９】
さらに、コンタクト電極で活性領域から離れる方向を向いた部分全体を、図４ｇに示されるようにｐ基板に隣接して配置することができ、この場合、コンタクト電極の幅は十字アームの活性領域の幅と一致する。つまり、コンタクト電極１７ａは十字アームの全幅にわたって伸長する。コンタクト電極１７ａで活性領域に面する部分については、図４ｂ−ｅに示された、活性領域１５に向かって湾曲した曲線を持つことができる。
【００４０】
また、上述のコンタクト電極構造は、活性領域が十字形の構造を持つホール・センサ素子で使用できるだけでなく、これらの構造は活性領域が星形の輪郭を有するホール・センサ素子でも使用できることに注意されたい。
【００４１】
矩形活性領域について図２ａ−ｅにより説明されたコンタクト構造及び十字形活性領域について図４ａ−ｇにより説明されたコンタクト構造の両方に関して、それらが完全にｎドープ領域内に置かれ、外部とは金属化層を介して接続されるだけとすることができることにも注意されたい。その結果、コンタクト領域はｎドープ半導体領域によって完全に包囲される。それとは別に、例えば図４ｇ−ｈに示されるように、コンタクト電極を完全に活性半導体領域内に置かない可能性もある。これは、コンタクト電極で活性領域から離れる方向を向いた部分の少なくとも境界が、活性領域の境界と接することができることを意味する。
【００４２】
さらに、電流供給用のコンタクト電極（７ａ、７ｃ；１７ａ、１７ｃ）及び電圧タップ用のコンタクト電極（７ｂ、７ｄ；１７ｂ、１７ｄ）は同一形状を持ち、オフセット補償のためにいわゆる「スピン電流」法を有利に利用することが可能であることに注意されたい。本発明により設計されたコンタクトの利点は、スピン電流法で特に顕著である。
【００４３】
従来のコンタクト電極構造を持つホール・センサでは、半導体材料の異質物のために発生するオフセット電圧が活性領域内の異なる各電流方向に対して異なる値を持つので、上述の補償方法を使用した場合でも、満足なオフセット抑制を達成することができない。
【００４４】
それに対し、本発明によるコンタクト電極構造を使用すると、発明によるコンタクトによってスピン電流作用のオフセット低減効果が妨害される程度は、通常のコンタクト形状と比較してはるかに低いので、ほぼ完全なオフセット補償を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンタクト電極を持つ方形ホール・センサ素子の概略図である。
【図２】ａ−ｅは方形ホール・センサ素子に対する本発明によるコンタクト電極の種々の構造の概略図である。
【図３】ａは本発明によるコンタクト電極を持つ十字形ホール・センサ素子の概略図である。ｂ−ｄはその十字構造の変形例である。
【図４】ａ−ｇは十字形ホール・センサ素子に対する本発明によるコンタクト電極の種々の構造の概略図である。
【図５】方形活性領域及び従来のコンタクト電極を持つ既知のホール・センサ素子である。
【図６】十字形活性領域及び従来のコンタクト電極を持つ既知のホール・センサ素子である。

Claims (15)

1. 間に活性領域（５；１５）が画定され前記活性領域（５、１５）内に電流を発生させるための２つの相対する電流供給コンタクト電極（７ａ、７ｃ；１７ａ、１７ｃ）、及びホール電圧をタップオフするための２つの相対する電圧タップ・コンタクト電極（７ｂ、７ｄ；１７ｂ、１７ｄ）を備えたホール・センサ素子（１；１０）において、
   前記それぞれのコンタクト電極（７ａ、７ｃ；１７ａ、１７ｃ）で前記活性領域（５、１５）に面する部分が、スピン電流作用のオフセット低減効果に対する前記コンタクトの妨害作用が低減されるように形成されていることを特徴とするホール・センサ素子（１；１０）。
2. 前記活性領域（５）が矩形に形成され、かつ前記コンタクト電極（７ａ、７ｃ）が前記活性領域（５）の対角線方向に相対する隅に配置されている請求項１に記載のホール・センサ素子（１）。
3. 前記コンタクト電極（７ａ、７ｃ）が二等辺三角形の形状を持ち、その斜辺が前記活性領域（５）に面している請求項１又は２に記載のホール・センサ素子（１）。
4. 前記コンタクト電極（７ａ、７ｃ）で前記活性領域（５）に面する前記部分の形状が階段形である請求項２に記載のホール・センサ素子（１）。
5. 前記コンタクト電極（７ａ、７ｃ）で前記活性領域（５）に面する前記部分が、前記活性領域に向かって湾曲した円線分形状、楕円、放物線形又は双曲線形の輪郭を有している請求項２に記載のホール・センサ素子（１）。
6. 前記コンタクト電極（７ａ、７ｃ）で前記活性領域（５）に面する前記部分の形状が台形である請求項２に記載のホール・センサ素子（１）。
7. 前記各々のコンタクト電極（７ａ、７ｃ）で前記活性領域（５）に面する前記部分の形状が台形であり、かつ前記活性領域に面する該台形の短い底辺に円線分形状、楕円形、放物線形又は双曲線形の輪郭が設けられている請求項６に記載のホール・センサ素子（１）。
8. 前記コンタクト電極の側辺の長さが前記活性領域（５）の側辺の長さのせいぜい２０％である請求項１ないし７のいずれか一項に記載のホール・センサ素子（１）。
9. 前記活性領域（５）が正多角形の形状を持つ請求項１に記載のホール・センサ素子（１）。
10. 前記活性領域（１５）が十字形に形成され、前記コンタクト電極（１７ａ、１７ｃ）が前記活性領域（１５）のそれぞれ相対する十字アームに配置されている請求項１に記載のホール・センサ素子（１０）。
11. 前記コンタクト電極（１７ａ、１７ｃ）で前記活性領域（１５）に面する前記部分の輪郭が矩形の延長を有する請求項１０に記載のホール・センサ素子（１０）。
12. 前記コンタクト電極（１７ａ、１７ｃ）で前記活性領域（１５）に面する前記部分が前記活性領域（１５）に向かって湾曲した円線分形状、楕円形、放物線形又は双曲線形の輪郭を有する請求項１０に記載のホール・センサ素子（１０）。
13. 前記コンタクト電極（１７ａ、１７ｃ）で前記活性領域（１５）に面する前記部分の形状が台形である請求項１０に記載のホール・センサ素子（１０）。
14. 前記コンタクト電極（１７ａ、１７ｃ）で前記活性領域（１５）に面する前記部分の形状が台形であり、前記活性領域に面する該台形の短い底辺に円線分形状、楕円形、放物線形、双曲線形の輪郭が設けられている請求項１３に記載のホール・センサ素子（１０）。
15. 前記活性領域（１５）が星形に形成され、前記コンタクト電極（１７ａ、１７ｃ）が前記活性領域（１５）のそれぞれ相対する星アームに配置されている請求項１に記載のホール・センサ素子（１０）。

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