JP2007263720A - 磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体の側面をテーパー形状にして磁性体の飽和を考慮しつつ、感度の向上あるいは感度の低下を招くことなしに線形性が確保できるようにすること。
【解決手段】半導体基板１１上には、互いに所定の距離を隔てて埋め込まれた複数のホール素子１２ａ，１２ｂが設けられ、ホール素子１２ａ，１２ｂ上及び半導体基板１１上には、磁気収束板を電解めっきするための下地金属層が設けられ、下地金属層上には、磁気増幅機能を有する磁気収束板１５が設けられている。磁気収束板１５の底面は、複数のホール素子１２ａ，１２ｂの領域を少なくとも部分的に覆うように配置され、磁気収束板の端面はテーパー形状を有している。特に、半導体基板１１の表面と磁気収束板１５の端面の内側のテーパー角αが鈍角である逆テーパー形状である場合には、磁気収束板の飽和を生じづらくして感度の低下を招くことなしに線形性が確保できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサ及びその製造方法に関し、より詳細には、ホール素子と磁気増幅機能を有する磁性体とを備え、この磁性体の側面がテーパー形状を有している磁気センサ及びその製造方法に関する。

従来から、ホール素子と磁気増幅機能を有する磁性体（磁気収束板）とを組み合わせた磁気センサは知られている。例えば、特許文献１に記載のものは、磁場の方向を２次元で決定できるようにした磁場方向検出センサに関するもので、平らな形状を有する磁気収束板と、第１のホール効果素子及び第２のホール効果素子とを備え、これらのホール効果素子が磁気収束板の端部領域に配置してなるものである。

このような構成により、磁気収束板によりホール効果素子の存在する領域の磁場を増幅することができるという効果を有している。

図１は、従来の磁気センサを説明するための構成図（特許文献２参照）で、図中符号１半導体基板、２ａ，２ｂはホール素子、３は保護層、４は下地金属層、５は磁気収束板を示している。

この従来の磁気センサは、磁気増幅機能を有する磁気収束板を備え、その磁気収束板の端部より漏れる磁束を半導体ホール素子により検出する磁気センサの製造方法に関するもので、半導体基板１上に保護層３を介して下地金属層４を設け、さらにその上に磁気増幅機能を有する磁気収束板５を設けたものである。この場合、半導体基板１の表面と磁気収束板５の側面とのなす角度は略９０°である。

このような製造方法により、半導体ホール素子及び軟磁性材料による磁気収束板を有する磁気センサが、ＬＳＩの製造工程に準拠した製造方法により小型かつ容易に製造でき、半導体ホール素子に磁気収束板を近づけることができ、磁気センサの高感度化が実現できるという効果を有している。

特開２００２−７１３８１号公報 特開２００３−１４２７５２号公報

しかしながら、図１に示した磁気センサにおいては、半導体基板１の表面と磁気収束板５の側面とのなす角度は略９０°になっているため、ホール素子の直近に磁気収束板の垂直な側面が位置するようになり、その側面に磁束が集中して感磁機能は向上するものの、磁束が集中しすぎると磁気飽和が生じてセンサ出力の線形性が確保できないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数のホール素子と磁気増幅機能を有する磁性体とを組み合わせ、この磁性体の側面をテーパー形状にして磁性体への磁束の集中度合いを勘案して磁気飽和を考慮しつつ、感度の向上あるいは感度の低下を招くことなしに線形性が確保できるようにした磁気センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、複数のホール素子が設けられた半導体基板と、該半導体基板上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた磁気センサにおいて、前記磁性体の底面が、前記複数のホール素子の領域の少なくとも一部を覆うように配置され、該磁性体の側面がテーパー形状を有していることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁性体が、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鈍角である逆テーパー形状であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記テーパー角αが、９０°＜α≦１２０°であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記磁性体が、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鋭角である順テーパー形状であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、複数のホール素子が設けられた半導体基板と、該半導体基板上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた磁気センサの製造方法において、前記半導体基板の表面に前記複数のホール素子を埋め込み形成する工程と、前記複数のホール素子上に電解めっき用の下地金属層を形成する工程と、前記下地金属層上に、前記複数のホール素子上がテーパー形状を有する空隙部となるようにレジストパターンニングによりレジストを形成する工程と、前記下地金属層上の前記空隙部に前記磁気増幅機能を有する磁性体を電解めっきにより形成し、該磁性体の底面が前記複数のホール素子の領域を少なくとも部分的に覆うようにする工程とを有することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記磁性体を、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鈍角である逆テーパー形状になるようにフォトリソグラフィーにより形成することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記テーパー角αが、９０°＜α≦１２０°であることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記磁性体を、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鋭角である順テーパー形状になるようにフォトリソグラフィーにより形成することを特徴とする。

本発明によれば、磁性体の底面が、複数のホール素子の領域を少なくとも部分的に覆うように配置され、この磁性体の側面がテーパー形状を有しているので、この磁性体の側面をテーパー形状にして磁性体への磁束の集中度合いを勘案して磁気飽和を考慮しつつ、感度の向上あるいは感度の低下を招くことなしに線形性が確保できるようにした磁気センサを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図２（ａ），（ｂ）は、本発明に係る磁気センサの一実施例を説明するための構成図で、図２（ａ）は磁気収束板の側面を順テーパー形状にしたもの、図２（ｂ）は磁気収束板の側面を逆テーパー形状にしたものである。図中符号１１は半導体基板、１２ａ，１２ｂはホール素子、１５は磁気収束板を示している。

本発明の磁気センサは、複数のホール素子１２ａ，１２ｂが埋め込み形成された半導体基板１１と磁気増幅機能を有する磁気収束板１５とを組み合わせたものである。半導体基板１１上には、この半導体基板１１の表面と同一の平面になるように互いに所定の距離を隔てて埋め込まれた複数のホール素子１２ａ，１２ｂが設けられている。実際には、半導体基板中のホール素子と磁気収束板との間には、ＩＣ配線層などがある。

また、ホール素子１２ａ，１２ｂ上及び半導体基板１１上には、磁気収束板１５を電解めっきするための下地金属層（図示せず）が設けられている。また、この下地金属層上には、磁気増幅機能を有する磁気収束板１５が設けられている。この磁気収束板１５は、ＮｉＦｅからなり、磁性体が用いられる。また、磁気収束板１５及び下地金属層は、円形又は多角形であることが好ましい。

また、磁気収束板１５の底面は、複数のホール素子１２ａ，１２ｂの領域を少なくとも部分的に覆うように配置され、この磁気収束板１５の側面は順テーパー形状あるいは逆テーパー形状を有している。

つまり、図２（ａ）に示すように、磁気収束板１５は、半導体基板１１の表面と磁気収束板１５の側面の内側のテーパー角αが鋭角である順テーパー形状である。また、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１１の表面と磁気収束板１５の側面の内側のテーパー角αが鈍角である逆テーパー形状である。この逆テーパー角αは、９０°＜α≦１２０°であることが好ましい。

このように構成することにより、順テーパー形状においては、ホール素子の直近に鋭角的な磁気収束板の側面が配置されるので、その鋭角的な部分に磁束が集中しやすくなり、感度を向上させることができる。一方、逆テーパー形状においては、ホール素子の直近に鈍角的な磁気収束板の端面が配置されるので、ホール素子の近傍での磁気収束板の飽和が起きづらくなり、その結果として、感度の低下を招くことなく線形性の確保が容易になる。

以下、図２（ａ）に示した磁気収束板に側面を順テーパー形状にしたものと、図２（ｂ）に示した磁気収束板の側面を逆テーパー形状にしたものとを比較しながらその特徴について説明する。

図３（ａ），（ｂ）は、磁気収束板に側面を順テーパー形状及びに逆テーパー形状にする方法について説明するための図で、図３（ａ）は順テーパー形状の作製方法、図３（ｂ）は逆テーパー形状の作製方法を示している。

図３（ａ）において、半導体プロセスによって形成されたホール素子上に磁性体テープ１３をエポキシ接着剤で接着することによって、順テーパー形状の磁気収束板を作製する。磁性体テープ１３上にレジスト１４を形成し、このレジスト１４をマスクにして磁気収束板をウエットエッチングしてレジスト１４を除去する。このようにして、磁性体テープ１３をウエットエッチングすることにより、磁性体テープ１３の側面に順テーパー形状が形成される。

しかしながら、この順テーパー形状のものは、図４（ａ）に示すように、鋭角的な部分に磁束が集中しやすくなり、磁気増幅機能の点では従来のように側面が垂直面である磁気収束板よりも感度を向上させる点で有利であるが、磁束が集中しすぎると磁気飽和が生じるという問題があり、そのため鋭角度合いによっては線形性が低下するという問題がある。

これに対して、図３（ｂ）においては、半導体プロセスによって形成されたホール素子上に電解めっきにより磁気収束板を形成し、フォトリソグラフィーの条件を工夫して逆テーパー形状の磁気収束板１５を作製する。ホール素子上が逆テーパー形状の空隙部１６ａとなるようにフォトリソグラフィーの条件によりレジスト１６の側面にテーパーを形成し、その後この空隙部１６ａに磁気増幅機能を有する磁気収束板１５を電解めっきにより形成してレジスト１６を除去する。このようにして、磁気収束板１５の側面に逆テーパー形状が形成される。この場合の、半導体基板の表面と磁気収束板の側面の内側のテーパー角αは、９０°＜α≦１２０°であることが好ましい。つまり、この逆テーパー形状のものは、図４（ｂ）に示すように、鈍角的にすることにより磁束の集中を緩和して磁気飽和が起きづらくなり、感度の低下を招くことなく線形性の向上を図ることができる。

このように、磁気収束板１５の側面に順テーパー形状あるいは逆テーパー形状を備えることにより、従来の垂直形状のものよりもそれぞれの特徴を有する。順テーパー形状にすることで、磁束が磁気収束板端部に集中しやすくなり、その結果、感度が向上する。また、その他の効果として、磁気収束板へのパッケージ応力を緩和するために、更にその上にポリイミドによる保護層を形成する場合、順テーパー形状にすることで鋭角部分へのカバレージ不足が改善されるという効果が期待できる。この場合にはセンサの使用レンジで磁気飽和が生じない程度の鋭角度合いが要求される。これに対して、逆テーパー形状とした場合には、磁束の集中を緩和することができるため、線形性が向上するという効果が得られる。このように、使用目的に応じて適宜選択が可能となり、磁気センサの利用形態が大幅に向上する。従来の磁気収束板の側面と半導体基板の表面との角度は略９０°であり、本発明のようなテーパー形状にするといった発想は皆無であった。この点からも本発明による磁気収束板の利用価値の高さが分かる。

以上において、図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）に基づいて、磁気収束板の側面を順テーパー形状にした場合と逆テーパー形状にした場合についてその特徴を説明したが、特に、逆テーパー形状にした場合の直線性についてさらに説明する。

図５は、テーパー角αの変化に対する非線形性の印加磁場依存性を示す図である。非線形性スペックを０．２％とすると、印加可能な磁場は逆テーパー形状にすることで広がる（レンジ拡大）ことが分かる。

図６は、印加磁場が６００Ｇの入力時のテーパー角αと非線形性の関係を示す図である。この図６より、逆テーパー形状にした場合の方が安定した線形性が得られることが分かる。また、図７は、磁気感度とテーパー角αとの関係を示す図である。この図７より順テーパーにすることで感度が向上することがわかる。

次に、本発明に係る磁気センサの製造方法（逆テーパー形状）の一実施例について説明する。

まず、ＳｉやＧａＡｓからなる半導体基板１１中に、この半導体基板１１の表面と同一の平面になるように互いに所定の距離を隔てて複数のホール素子１２ａ，１２ｂを埋め込み形成する（磁気センサチップの作製）。

次に、複数のホール素子上に電解めっき用の下地金属層をスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する（下地金属層の形成）。

次に、図３（ｂ）に示すように、下地金属層上に、ホール素子１２ａ，１２ｂ上が逆テーパー形状の空隙部１６ａとなるようなレジストパターンニングによりレジスト１６を形成する（レジストパターン形成）。

次に、下地金属層上の空隙部１６ａに、磁気増幅機能を有する磁気収束板１５を逆テーパー形状に電解めっきにより磁気収束板１５の底面がホール素子１２ａ，１２ｂの領域を少なくとも部分的に覆うように形成する（磁性体めっき処理）。

この場合、磁気収束板１５を、半導体基板１１の表面と磁気収束板１５の側面の内側のテーパー角αが鈍角である逆テーパー形状になるようにフォトリソグラフィーにより形成する。

この磁気収束板１５は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金を電解めっきにより作製したもので、パーマロイやスーパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）からなることが好ましく、それにＣｏを添加したものは、磁気ヒステリシスが減少するのでより好ましい。さらには、パーメンジュール（Ｆｅ−Ｃｏ系合金）又はセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金）からなることが好ましい。

次に、レジストパターン１６を除去する（レジストパターン除去）。その結果、磁気収束板１５が、下地金属層上に残ることになる。

最後に、複数の磁気センサチップをダイシングにより単体のチップに分離する（ダイシング）。

以上は、逆テーパー形状を作製する場合について説明したが、順テーパー形状を作製する場合にも同様な工程を経て作製することができることは明らかである。

このようにして、磁気収束板の底面が、複数のホール素子の領域を少なくとも部分的に覆うように配置され、この磁気収束板の側面がテーパー形状を有しているので、この磁性体の側面をテーパー形状にして磁性体への磁束の集中度合いを勘案して磁気飽和を考慮しつつ、感度の向上あるいは線形性の向上を実現することができる。

従来の磁気センサを説明するための構成図である。 本発明に係る磁気センサの一実施例を説明するための構成図で、（ａ）は磁気収束板の側面を順テーパー形状にしたもの、（ｂ）は磁気収束板の側面を逆テーパー形状にしたものを示している。 磁気収束板に側面を順テーパー形状及びに逆テーパー形状にする方法について説明するための図で、（ａ）は順テーパー形状の作製方法、（ｂ）は逆テーパー形状の作製方法を示している。 テーパー形状の特徴を示す図で、（ａ）は順テーパー形状、（ｂ）は逆テーパー形状を示している。 テーパー角αの変化に対する非線形性の印加磁場依存性を示す図である。 印加磁場が６００Ｇの入力時のテーパー角αと非線形性の関係を示す図である。 磁気感度とテーパー角αとの関係を示す図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ａ，２ｂ ホール素子
３ 保護層
４ 下地金属層
５ 磁気収束板
１１ 半導体基板
１２ａ，１２ｂ ホール素子
１３ 磁性体テープ
１４ レジスト
１５ 磁気収束板
１６ レジスト
１６ａ 空隙部

Claims (8)

1. 複数のホール素子が設けられた半導体基板と、該半導体基板上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた磁気センサにおいて、
   前記磁性体の底面が、前記複数のホール素子の領域の少なくとも一部を覆うように配置され、該磁性体の側面がテーパー形状を有していることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁性体が、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鈍角である逆テーパー形状であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記テーパー角αが、９０°＜α≦１２０°であることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
4. 前記磁性体が、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鋭角である順テーパー形状であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
5. 複数のホール素子が設けられた半導体基板と、該半導体基板上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた磁気センサの製造方法において、
   前記半導体基板の表面に前記複数のホール素子を埋め込み形成する工程と、
   前記複数のホール素子上に電解めっき用の下地金属層を形成する工程と、
   前記下地金属層上に、前記複数のホール素子上がテーパー形状を有する空隙部となるようにレジストパターンニングによりレジストを形成する工程と、
   前記下地金属層上の前記空隙部に前記磁気増幅機能を有する磁性体を電解めっきにより形成し、該磁性体の底面が前記複数のホール素子の領域を少なくとも部分的に覆うようにする工程と
   を有することを特徴とする磁気センサの製造方法。
6. 前記磁性体を、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鈍角である逆テーパー形状になるようにフォトリソグラフィーにより形成することを特徴とする請求項５に記載の磁気センサの製造方法。
7. 前記テーパー角αが、９０°＜α≦１２０°であることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサの製造方法。
8. 前記磁性体を、前記半導体基板の表面と前記磁性体の側面の内側のテーパー角αが鋭角である順テーパー形状になるようにフォトリソグラフィーにより形成することを特徴とする請求項５に記載の磁気センサの製造方法。
   

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