JP2007278734A - 磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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、基板と磁性体との間に２層構造の金属膜を設けて磁気特性の極めて安定した磁気センサを提供すること。
【解決手段】半導体回路１１は、半導体基板１３と、この半導体基板１３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半導体基板１３中に埋め込まれた複数のホール素子１４ａ，１４ｂから構成されている。保護膜１５は、半導体回路１１上に設けられている。磁気収束板１２は、保護層１５上に設けられた第１の金属膜１６ａを介して、さらにその上に設けられた第２の金属膜１６ｂ上で、かつホール素子１４ａ，１４ｂの上方に配置されるように設けられている。第２の金属膜の膜厚を０．１〜３μｍとすることで、第１の金属膜と磁性体合金膜との熱膨張差から生じる磁気歪を遮断することができ、極めて安定した磁気センサが実現できる。
【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、半導体基板と磁性体との間に２層構造の金属膜を設けた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３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、ホール効果素子は、磁場の水平成分が最大である回転軸領域に位置されているため、このホール効果素子を集積するホール効果素子の配置は永久磁石の端部の位置に独立して行うことができ、また、磁気収束板によりさらにホール効果素子の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は半導体回路、２は磁気収束板、３は半導体基板、４ａ，４ｂはホール素子、５は保護膜、６ａは第１の金属膜、６ｂは第２の金属膜を示している。

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、半導体ホール素子を形成した後、電解鍍金により軟磁性薄膜を堆積して磁気収束板を形成するようにしたもので、スパッタリング法により第１の金属膜であるＴｉ薄膜を０．０５μｍに堆積させた後、第２の金属膜であるＮｉ−Ｆｅ合金薄膜を０．０７μｍに堆積し、半導体基板と磁気収束板の間に２層構造の金属膜を設けたものである。この２層構造において、第１の金属層であるＴｉ薄膜は、下地絶縁層とＮｉ−Ｆｅ合金薄膜の密着性を上げるためのものである。

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、スパッタリング法により第１の金属膜であるＴｉ薄膜を０．０５μｍに堆積させた後、第２の金属膜であるＮｉ−Ｆｅ合金薄膜を０．０７μｍに堆積し、半導体基板と磁気収束板との間に２層構造の金属膜を設けているものの、これらの２層の金属膜と磁気収束板との熱膨張差による磁気歪が発生し、その結果、ホール素子と磁性体を組み合わせた磁気センサの磁気特性が不安定になるという問題があった。

また、第１の金属膜と磁気収束板との熱膨張差から生じる磁気歪を遮断するように第２の金属膜の厚さを考慮することについては何ら着目されていなかった。

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、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、半導体基板と磁性体との間に２層構造の金属膜を設けて磁気特性の極めて安定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、ホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路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、前記半導体回路上に設けられたＴｉ、Ｗ又はＴｉＷ合金からなる第１の金属膜と、該第１の金属膜上にスパッタリング法又は真空蒸着法により形成され、膜厚０．１〜３μｍのＮｉＦｅからなる第２の金属膜と、該第２の金属膜上に設けられ、電解めっきにより形成されるＮｉＦｅからなる磁性体合金膜とを備えたことを特徴とする特徴とする。

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、前記第１の金属膜の膜厚が、０．０１〜１μｍ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１又は２に記載の発明において、前記半導体回路と前記第１の金属膜との間に保護層を設けたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、ホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路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、半導体基板の表面に前記ホール素子を埋め込み形成する工程と、前記ホール素子上に保護層を介してＴｉ、Ｗ又はＴｉＷ合金からなる第１の金属膜をスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する工程と、該第１の金属膜上に、スパッタリング法又は真空蒸着法により膜厚０．１〜３μｍのＮｉＦｅからなる第２の金属膜を形成する工程と、該第２の金属膜上にＮｉＦｅからなる磁性体合金膜を電解めっきにより形成する工程とを有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記第１の金属膜の膜厚を、０．０１〜１μｍに形成することを特徴とする。

本発明によれば、半導体回路上に設けられたＴｉ、Ｗ又はＴｉＷ合金からなる第１の金属膜と、この第１の金属膜上にスパッタリング法又は真空蒸着法により形成され、膜厚０．１〜３μｍのＮｉＦｅからなる第２の金属膜と、この第２の金属膜上に設けられ、電解めっきにより形成されるＮｉＦｅからなる磁性体合金膜とを備えたので、第２の金属膜の膜厚を０．１〜３μｍとすることで、第１の金属膜と磁性体合金膜との熱膨張差から生じる磁気歪を遮断することができ、極めて安定した磁気センサが実現できるという効果を奏する。

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、図中符号１１は半導体回路、１２は磁気収束板（磁性体合金膜）、１３は半導体基板、１４ａ，１４ｂはホール素子、１５は保護膜、１６ａは第１の金属膜、１６ｂは第２の金属膜を示している。

本発明の磁気センサは、ホール素子１４ａ，１４ｂが形成された半導体回路１１と磁性体合金膜である磁気収束板１２とを組み合わせたものである。半導体回路１１は、半導体基板１３と、この半導体基板１３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半導体基板１３の表面に埋め込まれた複数のホール素子１４ａ，１４ｂとから構成されている。

また、保護膜１５は、ホール素子１４ａ，１４ｂの上方に配置されるように半導体回路１１上に設けられ、この保護膜１５上には、第１の金属膜１６ａと、さらにその上に第２の金属膜１６ｂとが設けられている。また、この第２の金属膜１６ｂ上には、磁気増幅機能を有する磁気収束板１２が設けられている。

なお、図２には示されていないが、実際には半導体回路１１と保護層１５の間には、ＩＣ配線層が設けられている（後述する図５（ａ）以降の製造方法を説明する図においては図示してある）。

磁気収束板１２は、ＮｉＦｅからなり、その膜厚は５〜３０μｍが好ましい。また、金属膜は、第１の金属膜１６ａと第２の金属膜１６ｂとからなる２層構造を有し、第１層の第１の金属膜１６ａは、ＴｉｍＷ又はＴｉＷ合金からなり、その膜厚は０．０１〜１μｍが好ましく、０．０５μｍが最適である。また、第２層の第２の金属膜１６ｂは、ＮｉＦｅからなり、その膜厚は０．１〜３μｍが好ましい。

図３（ａ），（ｂ）は、本発明と従来のホール素子の磁気特性（磁場強度に対するホール出力）を比較した図で、図３（ａ）は磁性体に歪がある場合のホール素子の磁気特性、図３（ｂ）は磁性体に歪のない場合のホール素子の磁気特性を示している。

このことから分かるように、金属膜を２層構造とするとともに、第２の金属膜の膜厚を０．１〜３μｍとしたので、金属膜と磁気収束板との熱膨張率による磁気歪が解消され、磁性体に歪のない場合のホール素子の磁気特性の方がリニアな磁気特性が得られる。

図４（ａ），（ｂ）は、本発明に係るＩＣウエハを示す図で、図４（ａ）は、ＩＣウエハ図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ｂ線概略断面図である。図４（ｂ）におけるＣ領域が後述する図５（ａ）に示す磁気センサチップを示している。

図５（ａ）乃至（ｃ）及び図６（ｄ）乃至（ｆ）は、本発明に係る磁気センサの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、ＳｉやＧａＡｓからなる半導体基板１３中に、この半導体基板１３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１４ａ，１４ｂを埋め込み形成し、次に、半導体基板１３上に、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどでＩＣ配線層１７を形成して、半導体回路１１を形成する（磁気センサチップの作製）。さらにその上に、ポリイミドをパターニングすることにより、半導体回路１１上にポリイミドからなる保護層１５を形成する（ポリイミドパターニング）。

次に、図５（ｂ）に示すように、保護層１５上に、Ｔｉ、Ｗ又はＴｉＷ合金からなる膜厚０．０１〜１μｍの第１の金属膜１６ａをスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する（下地層形成）。

次に、図５（ｃ）に示すように、第１の金属膜１６ａ上に、ＮｉＦｅからなる膜厚０．１〜３μｍの第２の金属膜１６ｂをスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する（中間層形成）。

次に、図６（ｄ）に示すように、第２の金属膜１６ｂ上に、ホール素子１４ａ，１４ｂ上が空隙部１８ａとなるようなレジストパターンニングによりレジスト１８を形成する（レジストパターン形成）。

次に、図６（ｅ）に示すように、第２の金属膜１６ｂ上の空隙部１８ａに、膜厚５〜３０μｍの磁気増幅機能を有する磁性体合金膜（磁気収束板）１２を電解めっきにより形成する（磁性体メッキ処理）。この磁性体合金膜１２は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金を電解メッキ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、図６（ｆ）に示すように、レジストパターン１８を除去する（レジストパターン除去）。その結果、磁性体合金膜１２が、第２の金属膜１６ｂ上に残ることになる。

次に、図示しないが、ＮｉＦｅをマスクとしてＣｕエッチングする。この場合、ＮｉＦｅはエッチングされずにＣｕのみ選択エッチングされる。エッチング液は、アルカリ系あるいは酸系のどちらでもよい（Ｃｕエッチング）。また、ＮｉＦｅをマスクとしてＴｉエッチングする。この場合、ＮｉＦｅはエッチングされずにＴｉのみ選択エッチングされる。エッチング液は、アルカリ系あるいは酸系のどちらでもよい（Ｔｉエッチング）
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）。

図７は、第２の金属膜の膜厚と磁気歪みとの関係を表に示した図である。この図から明らかなように、第２の金属膜の膜厚を０．０５μｍ及び０．０７μｍにした場合には磁気歪が残っていたが、０．１〜３μｍにした場合には磁気歪は発生しなかった。それ以上の膜厚の場合には、スパッタ時に基板温度が上昇しすぎてＩＣにダメージが与えられたため、特性が測定できなかった。

このようにして作製された磁気センサは、従来のような、金属膜のＴｉやＷやＴｉＷ合金と磁気収束板のＮｉＦｅとの熱膨張差による磁気歪の発生をなくすため、磁気収束板と接する金属膜を２層構造とし、第２の金属膜の膜厚を０．１〜３μｍとすることで、第１の金属膜と磁性体合金膜との熱膨張差から生じる磁気歪を遮断することができ、極めて安定した磁気センサが実現できる。

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ある。 （ａ），（ｂ）は、本発明と従来のホール素子の磁気特性を比較した図で、（ａ）は磁性体に歪がある場合のホール素子の磁気特性、（ｂ）は磁性体に歪のない場合のホール素子の磁気特性を示している。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係るＩＣウエハを示す図で、（ａ）はＩＣウエハ、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ｂ線概略断面図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、本発明に係る磁気センサの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図（その１）である。 （ｄ）乃至（ｆ）は、本発明に係る磁気センサの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図（その２）である。 第２の金属膜の膜厚と磁気歪みとの関係を表に示した図である。

符号の説明

１ 半導体回路
２ 磁気収束板
３ 半導体基板
４ａ，４ｂ ホール素子
５ 保護膜
６ａ 第１の金属膜
６ｂ 第２の金属膜
１１ 半導体回路
１２ 磁場収束板（磁性体合金膜）
１３ 半導体基板
１４ａ，１４ｂ ホール素子
１５ 保護膜
１６ａ 第１の金属膜
１６ｂ 第２の金属膜
１７ ＩＣ配線層
１８ フォトレジスト
１８ａ 空隙部

Claims (5)

1. ホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路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、
   前記半導体回路上に設けられたＴｉ、Ｗ又はＴｉＷ合金からなる第１の金属膜と、
   該第１の金属膜上にスパッタリング法又は真空蒸着法により形成され、膜厚０．１〜３μｍのＮｉＦｅからなる第２の金属膜と、
   該第２の金属膜上に設けられ、電解めっきにより形成されるＮｉＦｅからなる磁性体合金膜と
   を備えたことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１の金属膜の膜厚が、０．０１〜１μｍ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. 前記半導体回路と前記第１の金属膜との間に保護層を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. ホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路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、
   半導体基板の表面に前記ホール素子を埋め込み形成する工程と、
   前記ホール素子上に保護層を介してＴｉ、Ｗ又はＴｉＷ合金からなる第１の金属膜をスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する工程と、
   該第１の金属膜上に、スパッタリング法又は真空蒸着法により膜厚０．１〜３μｍのＮｉＦｅからなる第２の金属膜を形成する工程と、
   該第２の金属膜上にＮｉＦｅからなる磁性体合金膜を電解めっきにより形成する工程と
   を有することを特徴とする磁気センサの製造方法。
5. 前記第１の金属膜の膜厚を、０．０１〜１μｍに形成することを特徴とする請求項４に記載の磁気センサの製造方法。
   

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