JP2010286372A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。特に、パワーデバイスの配線層に流れる電流を、同一半導体基板内に形成したホール素子で検出する構成に関する。 The present invention relates to a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a configuration in which a current flowing in a wiring layer of a power device is detected by a Hall element formed in the same semiconductor substrate.
配線に流れる電流の周りにはアンペールの法則に基づいた磁界が発生する。係る磁界を検出して、磁束密度に比例するホール電圧を発生させ、配線に流れる電流を相対的に検出する、ホール素子からなる電流検出装置は、以下に掲載する先行技術文献に開示されている。いずれも、ホール素子の外部を流れる電流を、その電流が発する磁束密度Bから検出するものである。配線に流れる電流を直線電流と仮定して、ホール素子に発生するホール電圧VHは以下の様に表す事ができる。 A magnetic field based on Ampere's law is generated around the current flowing in the wiring. A current detection device including a Hall element that detects a magnetic field, generates a Hall voltage proportional to the magnetic flux density, and relatively detects a current flowing through the wiring is disclosed in the following prior art documents. . In either case, the current flowing outside the Hall element is detected from the magnetic flux density B generated by the current. Assuming that the current flowing through the wiring is a linear current, the Hall voltage V H generated in the Hall element can be expressed as follows.
ホール電流が流れる半導体基板が、幅b、厚さt、電子濃度n、電子の電荷量q、直線電流により発生する磁束密度B、ホール素子に流すホール電流IHとするとホール電圧VH=BIH/qntとなる。即ち、VHを測定することにより未知数のBの値が判明する。磁束密度Bと被測定電流Iとの関係はB∝μI/rとなる。ここでμは電流を取り囲む領域の透磁率、rは電流Iと磁束密度Bを測定する位置との距離になる。通常、電流が流れる配線の近くにホール素子が配置されrをできるだけ小さくして、高い磁束密度Bの中にホール素子を配置して高いホール電圧VHが得られるようにしている。 When a semiconductor substrate through which a hole current flows has a width b, a thickness t, an electron concentration n, an electron charge q, a magnetic flux density B generated by a linear current, and a hole current I H that flows through the Hall element, a Hall voltage V H = BI H / qnt. That is, by measuring V H , an unknown value of B is found. The relationship between the magnetic flux density B and the measured current I is B∝μI / r. Here, μ is the magnetic permeability of the region surrounding the current, and r is the distance between the current I and the position where the magnetic flux density B is measured. Usually, a Hall element is arranged near the wiring through which a current flows, r is made as small as possible, and a Hall element is arranged in a high magnetic flux density B so that a high Hall voltage V H can be obtained.
この場合、rを小さくするといっても、ホール素子基板の厚み、パッケージの厚みがあるため、それより配線とホール素子を接近させる事ができない。B∝μI/rの関係から配線とホール素子間の距離rが大きくなるのと反比例し磁束密度Bが急激に低くなり、ホール素子内部での磁束密度Bを十分に高くする事ができない。そこで、ホール素子の直上にフェライト等からなる集磁板を貼り付けて磁束を集め、磁束密度Bの向上を図る等の工夫がなされている。 In this case, even if r is reduced, the Hall element substrate and the package are thick, so that the wiring and the Hall element cannot be brought closer to each other. From the relationship of B∝μI / r, the distance r between the wiring and the Hall element increases in inverse proportion to the magnetic flux density B, and the magnetic flux density B inside the Hall element cannot be sufficiently increased. In view of this, a contrivance has been made such that a magnetic flux collecting plate made of ferrite or the like is attached immediately above the Hall element to collect magnetic flux to improve the magnetic flux density B.
上述のように、特定の配線に流れる比較的大きな電流は、その近傍に隣接してホール素子を配置し、ホール素子に発生するホール電圧で代替して検出する事ができる。しかしながら集積回路等に形成されたパワーデバイスの数A程度の電流を検出し、パワーデバイスの入力端にフィードバックして、パワーデバイスの電流を一定化する場合等には、図1(A)に示すように、簡便にパワーデバイスの配線層に直列に外付け抵抗をつけ、その抵抗の両端に発生する電圧によりゲート入力端にフィードバックをかけている。 As described above, a relatively large current flowing in a specific wiring can be detected by replacing the Hall voltage generated in the Hall element by arranging the Hall element adjacent to the vicinity thereof. However, when a current of about several A of power devices formed in an integrated circuit or the like is detected and fed back to the input terminal of the power device to make the current of the power device constant, the current shown in FIG. As described above, an external resistor is simply provided in series with the wiring layer of the power device, and feedback is applied to the gate input terminal by a voltage generated at both ends of the resistor.
近年、携帯電話等の小型携帯機器に関しては、益々軽薄短小が要求され、外付け部品等も半導体基板内に取り込む事が必須となっている。抵抗を半導体基板内に取り込めば、抵抗部分で電力消費が起こり発熱による電力損失が発生する。電力損失をできるだけ少なくするため、低抵抗にする必要があるが、この場合、抵抗の占有面積が大きくなり、また低抵抗を精度良く形成するのが難しいため、精度の良い電流検出が難しいという問題が生じる。また、抵抗で電圧降下がある分、電源電圧を有効に利用できないという問題もある。 In recent years, small portable devices such as mobile phones are increasingly required to be lighter, thinner, and smaller, and it is essential to incorporate external components and the like into a semiconductor substrate. If the resistor is incorporated in the semiconductor substrate, power is consumed in the resistor portion and power loss due to heat generation occurs. In order to minimize the power loss, it is necessary to make the resistance low, but in this case, the area occupied by the resistance becomes large, and it is difficult to accurately form a low resistance, so it is difficult to accurately detect the current. Occurs. There is also a problem that the power supply voltage cannot be used effectively due to the voltage drop at the resistor.
図1(B)に示すように、パッケージの外に引き出された、パワーデバイスの配線層に接続するリードフレーム等に、近接してホール素子を配置し、定電流源IDDからホール電流IHを供給し、パワーデバイスの配線層を流れる電流Iから生じる磁束密度Bとの間の電磁力fにより発生するホール電圧VHを測定する方法も考えられるが、パワーデバイスの配線層を流れる電流は、せいぜい数A程度であり、十分なホール電圧VHを発生させることは困難である。また、係る方法は軽薄短小化の流れに逆行する。 As shown in FIG. 1 (B), drawn out of the package, the lead frame for connecting to the wiring layer of the power device, to place the Hall element in proximity, the Hall current I H from the constant current source IDD A method of measuring the Hall voltage V H generated by the electromagnetic force f between the current I flowing and the magnetic flux density B generated from the current I flowing through the wiring layer of the power device is also conceivable. At most, it is about several A, and it is difficult to generate a sufficient Hall voltage V H. In addition, such a method goes against the flow of thinness and miniaturization.
しかし、ソース電流Iの周辺に発生する磁束密度Bは、前述の如く、磁束密度Bの測定位置とソース電流Iとの距離rが小さければ小さいほど大きくなる。かかる性質を利用して、ソース配線層8直下近傍のN型層1に、パワーデバイスと一緒にホール素子Hを形成することにより、より高い磁束密度Bを発生させる事ができる。この結果、高いホール電圧VHを得る事ができ、ソース電流Iを代替して検出する事が可能となる。軽薄短小の流れに適うものである。
However, as described above, the magnetic flux density B generated around the source current I increases as the distance r between the measurement position of the magnetic flux density B and the source current I decreases. By utilizing this property, a higher magnetic flux density B can be generated by forming the Hall element H together with the power device in the N-
従って、余分な電力消費をせずに、簡便にパワーデバイスに流れる電流Iを検出できるホール素子Hを開発することが課題となる。 Therefore, it becomes a problem to develop a Hall element H that can easily detect the current I flowing through the power device without consuming excessive power.
本発明の半導体装置は、第1導電型の半導体層の表面に形成された、電流端子及び電圧端子を有するホール素子と、前記ホール素子上または該ホール素子に近接する前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成されたパワーデバイスの配線層とからなり、前記ホール素子は、前記配線層を流れる電流から生じる磁界によりホール電圧を発生することを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention is insulated on a Hall element having a current terminal and a voltage terminal formed on a surface of a first conductivity type semiconductor layer and on the Hall element or on the semiconductor layer adjacent to the Hall element. It is composed of a wiring layer of a power device formed through a film, and the Hall element generates a Hall voltage by a magnetic field generated from a current flowing through the wiring layer.
また、本発明の半導体装置は、前記ホール素子が前記配線層の側面の半導体層に形成され、該ホール素子を流れるホール電流が前記配線層の側面と垂直方向に流れることを特徴とする。 In the semiconductor device of the present invention, the Hall element is formed in a semiconductor layer on a side surface of the wiring layer, and a Hall current flowing through the Hall element flows in a direction perpendicular to the side surface of the wiring layer.
また、本発明の半導体装置は、前記配線層と垂直方向に流れる前記ホール電流が、前記配線層の一方の側に形成された該ホール素子の電流入力端から該配線層の反対側に形成された前記ホール素子の電流出力端まで連続して流れることを特徴とする。 In the semiconductor device of the present invention, the Hall current flowing in a direction perpendicular to the wiring layer is formed on the opposite side of the wiring layer from the current input end of the Hall element formed on one side of the wiring layer. Further, the current flows continuously to the current output terminal of the Hall element.
更に、本発明の半導体装置は、前記ホール素子が前記配線層の側面に形成され、該ホール素子を流れるホール電流が前記配線層と平行方向に流れることを特徴とする。 Furthermore, the semiconductor device of the present invention is characterized in that the Hall element is formed on a side surface of the wiring layer, and a Hall current flowing through the Hall element flows in a direction parallel to the wiring layer.
また、本発明の半導体装置は、前記配線層と平行方向に流れる前記ホール電流が、前記配線層の一方の側に形成された該ホール素子の電流入力端から該配線層の反対側に形成された前記ホール素子の電流出力端まで連続して流れることを特徴とする。 In the semiconductor device of the present invention, the Hall current flowing in a direction parallel to the wiring layer is formed on the opposite side of the wiring layer from the current input end of the Hall element formed on one side of the wiring layer. Further, the current flows continuously to the current output terminal of the Hall element.
また、本発明の半導体装置は、前記電流端子が第2導電型からなり、2つの電流端子で挟まれた領域が第2導電型で形成されていることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention is characterized in that the current terminal is of a second conductivity type, and a region sandwiched between the two current terminals is formed of the second conductivity type.
また、本発明の半導体装置は、前記ホール電流が前記配線層の直下を該配線層と平行して流れ、前記配線層の直下に第2導電型で形成された1の前記電圧端子と、前記半導体基板内の第1導電型の埋め込み層と連結する第1導電型の引き出し電極と接続された1の前記電圧端子を備えていることを特徴とする。 Further, in the semiconductor device of the present invention, the Hall current flows directly under the wiring layer in parallel with the wiring layer, and the one voltage terminal formed of the second conductivity type immediately under the wiring layer; One voltage terminal connected to a lead electrode of the first conductivity type connected to the buried layer of the first conductivity type in the semiconductor substrate is provided.
また、本発明の半導体装置は、前記電流端子の1つが、前記半導体基板内に形成された第1導電型の埋め込み層と連結した第1導電型の引き出し電極と接続されており、該電流端子から流れ込むホール電流が前記配線層直下の1の前記電流端子に流れ出る事を特徴とする。 In the semiconductor device of the present invention, one of the current terminals is connected to a first conductivity type lead electrode connected to a first conductivity type buried layer formed in the semiconductor substrate, and the current terminal The hole current flowing in from the current flows out to the one current terminal immediately below the wiring layer.
更に、本発明の半導体装置は、前記ホール電圧によりパワーデバイスの入力を制御し、パワーデバイスを流れる電流の定電流化を図ることを特徴とする。 Furthermore, the semiconductor device of the present invention is characterized in that the input of the power device is controlled by the Hall voltage, and the current flowing through the power device is made constant.
本発明によれば、製造工程の増加、半導体層内の発熱量増大、チップサイズ増大等の不利益を伴うことなく、または最小限にして、パワーデバイスの配線層を流れる電流を検出する事ができる。また、係る検出結果に基づいて、パワーデバイスの入力端に適切なフィードバックをかける事が可能となり、パワーデバイスを流れる電流を一定にする事ができる。 According to the present invention, it is possible to detect a current flowing through a wiring layer of a power device without causing a disadvantage such as an increase in manufacturing process, an increase in heat generation in a semiconductor layer, and an increase in chip size. it can. Moreover, it is possible to apply appropriate feedback to the input terminal of the power device based on the detection result, and the current flowing through the power device can be made constant.
パワーN型MOSFETに流れる電流Iは前述の如く、せいぜい数Aである。電流Iを1Aの直線電流と考えた場合、電流Iの流れる方向に発生する右回りの磁束密度B、ホール素子Hを形成するシリコン半導体の被透磁率μr、真空の被透磁率μ0、電流Iと磁束密度Bの測定位置の距離をrとした場合、B=μrμ0I/2πrの関係になる。従って、r=10μmのときはB=0.4ガウス、r=1μmのときはB=4ガウス、r=100nmのときはB=40ガウス、r=10nmのときはB=400ガウスの磁束密度が得られる。 The current I flowing through the power N-type MOSFET is at most several A as described above. Assuming that the current I is a linear current of 1 A, a clockwise magnetic flux density B generated in the direction in which the current I flows, a magnetic permeability μ r of the silicon semiconductor forming the Hall element H , a vacuum magnetic permeability μ 0 , When the distance between the measurement positions of the current I and the magnetic flux density B is r, the relationship is B = μ r μ 0 I / 2πr. Therefore, the magnetic flux density is B = 0.4 gauss when r = 10 μm, B = 4 gauss when r = 1 μm, B = 40 gauss when r = 100 nm, and B = 400 gauss when r = 10 nm. Is obtained.
ソース電流Iが流れるリードフレームに、ホール素子を近接させたとしてもパッケージの厚み等を考慮すると、10μm以下に接近させることは難しく発生する磁束密度Bは0.4ガウス以下の微弱なものにならざるを得ない。フェライト等の集磁板をホール素子の直上に貼付し磁力線を集束し磁束密度Bを高め、ホール電圧VHを大きくする手段が使われているが、それでも不十分の可能性がある。また、係るフェライト等を貼付して、ホール電圧VHを大きく出来たとしても、携帯機器の軽薄短小化の流れに逆行することになる。 Even if the Hall element is brought close to the lead frame through which the source current I flows, the magnetic flux density B that is difficult to be brought close to 10 μm or less is weak as 0.4 gauss or less in consideration of the thickness of the package. I must. The flux concentrator such as ferrite enhances the focused flux density B of sticking to the magnetic field lines immediately above the Hall elements, but means to increase the Hall voltage V H is used, still there is a possibility of insufficient. Moreover, even if such a ferrite or the like is attached and the Hall voltage V H can be increased, it goes against the trend of making the portable device lighter and thinner.
しかし、前述の如く、ホール電圧VH=BIH/qntと現すことができ、磁束密度Bと被測定電流Iとの関係はB∝μI/rで現せることから、被測定電流Iとホール電流IHが流れる位置の距離rを極限まで近づけることにより、前述の如く、被測定電流Iが数Aしか無い場合でも、大きな磁束密度Bが発生して、大きなホール電圧VHを得る事が可能となる。極論すればrをゼロ近辺まで近づけることにより磁束密度B、ホール電圧VHを無限大に近づける事ができる。 However, as described above, the Hall voltage V H = BI H / qnt can be expressed, and the relationship between the magnetic flux density B and the measured current I can be expressed by B∝μI / r. By reducing the distance r of the position where the current I H flows to the limit, as described above, even when the current I to be measured is only a few A, a large magnetic flux density B is generated and a large Hall voltage V H can be obtained. It becomes possible. Extreme case the magnetic flux density by bringing the r to around zero if B, can be brought close to the Hall voltage V H to infinity.
そのためには、以下に述べるように、パワーN型MOSFETのソース電流が流れる配線層の直下近傍の半導体層内にホール素子Hを形成すれば、rを極限まで小さくする事が可能となる。図2(A)、図2(B)にホール素子形成領域10を○印で表示している。図2(A)はパワーN型MOSFET形成領域の平面図をアースライン(不図示)に向かうソース配線層8と共に示している。図2(B)は図2(A)のX−X線断面図である。ホール電圧VHは上述の式で表せるようにホール素子のサイズ(厚さt除く)には関係しないためソース配線層近傍の小さな領域に簡単に形成できる。十分大きなホール電圧VHが得られない場合には、半導体基板内に増幅回路を形成し、発生したホール電圧VHを増幅し高くする事も可能である。
For this purpose, as described below, if the Hall element H is formed in the semiconductor layer in the vicinity immediately below the wiring layer through which the source current of the power N-type MOSFET flows, r can be minimized. In FIG. 2A and FIG. 2B, the Hall
但しパターン形成時の加工精度の問題、ホール電流IHによる発熱の問題、ホール電圧VHによる絶縁破壊の問題等から、最少寸法は自ずと制限される。N型半導体層1内に所定の工程を経て、P+型ソース層2、P−型ドリフト層3b、P+型ドレイン層3a、N+型バックゲートコンタクト層4、ゲート絶縁膜5、ゲート電極6、ソース配線層8、ドレイン配線層9が形成される。ソース電流IがP+型ソース層2からソース配線層8を経由してアースライン(不図示)まで流れる。
However patterning during machining accuracy problem, the problem of heat generation due to the hole current I H, the problems such as the dielectric breakdown due to the Hall voltage V H, smallest dimension is naturally limited. Through a predetermined process in the N-
図3(A)、図3(B)及び図4(A)、図4(B)に図2(B)のX−X線での断面におけるソース電流Iから発生する磁束密度Bの方向、ホール電流IHの方向及び磁界からホール電流IHを構成するN型半導体層1内の電子の受ける力fの方向を示す。磁束密度Bとホール電流IHの方向が直交する場合、電流の流れと逆方向に運動する電子は最大の電磁力fを受ける。磁束密度Bの方向は、アンペールの法則から、例えば、紙面裏側から表側に流れるソース電流Iの周りに、図3、図4に示すように、紙面で左回りに発生する。N型半導体層1内での磁束密度Bは、図3、図4に示すように、ソース配線層8の左では上から下方向、右側では下から上方向である。ソース配線層8の直下では右向きである。
3A, 3B, 4A, and 4B, the direction of the magnetic flux density B generated from the source current I in the cross section taken along the line XX of FIG. indicating the direction of force f applied from the direction and the magnetic field of the Hall current I H electron of N-
この場合、磁束密度Bとホール電流IHが直交するケースは図3(A)、図3(B)、図4(A)、図4(B)の4通りが考えられる。図3(A)では、紙面の上下方向に向かう磁束密度Bと紙面左から右に向かうホール電流IHが直交する。図3(B)では紙面上下方向に向かう磁束密度Bと紙面表から裏に向かうホール電流IHが直交する。図4(A)は紙面左から右に向かう磁束密度Bと紙面表から裏に向かうホール電流IHが直交し、図4(B)では紙面左から右に向かう磁束密度Bと紙面下から上に向かうホール電流IHが直交する。 In this case, the case where the magnetic flux density B and the Hall current I H are orthogonal FIG. 3 (A), the FIG. 3 (B), the FIG. 4 (A), the conceivable 4 types in FIG. 4 (B). In FIG. 3A, the magnetic flux density B in the vertical direction of the paper and the hole current I H from the left to the right of the paper are orthogonal to each other. Figure 3 (B) the hole current I H toward the back from the magnetic flux density B and the paper sheet toward the up and down direction are orthogonal. In FIG. 4A, the magnetic flux density B from the left to the right of the paper is perpendicular to the hole current I H from the front to the back of the paper. In FIG. 4B, the magnetic flux density B from the left to the right of the paper and the bottom from the top of the paper. Hall current I H towards the perpendicular.
その結果、ホール効果により図3(A)ではソース配線層8の左側で、電子は紙面表から裏側への電磁力fを受け、右側では表向きの電磁力fを受ける。図3(B)では電子はソース配線層8の左側では左向き、右側では右向きの電磁力fを受ける。また、図4(A)では電子は紙面上から下方向に、図4(B)では紙面表から裏に向かう電磁力fを受ける。
As a result, due to the Hall effect, electrons receive an electromagnetic force f from the front side to the back side of the drawing on the left side of the
電磁力fを受けることにより、電子の移動した先には、負の電荷を有した電子が集積し、反対側には電子の抜け殻である正に帯電したドナーイオンが発生する。これらの電子とドナーイオンによりホール電界を発生し、磁束密度による電磁力fと反対向きの力が電子に働き、電磁力fと電界による力のバランスした状態でホール電流IHが流れる。 By receiving the electromagnetic force f, electrons having a negative charge are accumulated at the destination of the movement of electrons, and positively charged donor ions which are shells of electrons are generated on the opposite side. A hole electric field is generated by these electrons and donor ions, a force opposite to the electromagnetic force f due to the magnetic flux density acts on the electrons, and a hole current I H flows in a state where the electromagnetic force f and the force due to the electric field are balanced.
それでは、これらの4つの具体的な実施形態について、以下に図面に従って説明する。
〔第1の実施形態〕
それでは、図5、図6に基づいて第1の実施形態について説明する。第1の実施形態は先の図3(A)に相当するもので、図3(A)に示すように、ソース配線層8の側面に垂直に形成された磁束密度Bに対して垂直方向となる、紙面の左側から右側方向にホール電流IHを流している。図5にホール素子の構成を一例として示している。図5(A)はホール素子部の平面図であり、図5(B)はそのX−X線での断面構造を示す図であり、図5(C)はY−Y線での断面図である。
These four specific embodiments will now be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
The first embodiment will be described based on FIGS. 5 and 6. The first embodiment corresponds to FIG. 3A, and as shown in FIG. 3A, the first embodiment is perpendicular to the magnetic flux density B formed perpendicular to the side surface of the
図5(A)では、ソース配線層8の両側にホール素子H1,H2が形成されているが、空き領域が無い場合は、片側のみに形成しても良い。ソース配線層8の両側に形成した場合は、図5(A)、図5(C)に示すようにソース配線層8の上に層間絶縁膜15を形成し、その上を跨ぐ形でホール電圧電極11cを形成することにより、ソース配線層8の両側に形成されたホール素子H1,H2を直列に連結する事ができる。ホール素子H1,H2を直列に連結するためには図4(A)に示すホール電圧コンタクト層14cとホール電圧コンタクト層14dをN型層1に一体として形成してもよい。
In FIG. 5A, the Hall elements H1 and H2 are formed on both sides of the
ホール電流IHは、図6(A)に示すように、ホール電流電極10aからホール電流コンタクト層12aを通り、ホール電流通路13を経由しつつ、ホール電流コンタクト層12bに向かい、最後にホール電流電極10bへと流れる。また、図6(A)に示すように、ホール電圧VHは、ソース配線層8の左側のホール素子H1ではホール電圧コンタクト層14aとホール電圧コンタクト層14c間に発生し、右側のホール素子H2ではホール電圧コンタクト層14dとホール電圧コンタクト層14bの間に発生する。
As shown in FIG. 6A , the hole current I H passes from the hole
ソース配線層8の直下に示したホール電流通路13はN+型半導体層からなる低抵抗層である。ホール電流通路13は、一方でホール素子H1のホール電流IHの出力端子を形成し、他方でホール素子H2のホール電流IHの入力端子の役目を果たしている。
The hole
それでは第1の実施形態におけるホール電圧VHの発生の様子を図6(A)、図6(B)を参酌して説明する。図6(A)はホール素子等が形成された半導体基板の平面図である。また、図6(B)は図6(A)のX−X線での断面の様子を示す図である。図6(A)ではソース配線層8をソース電流Iが紙面下から上に向かって流れている。図6(B)で言えば、紙面表から裏に向かって流れている。また、ホール素子に定電流源IDDから流し込む電流、即ちホール電流IHはホール電流電極10aからホール電流コンタクト層12aに流れ込み、ホール電流通路13を経由し、ホール電流コンタクト層12b、ホール電流電極10bへと、紙面で言えば図6(A)の左から右に流れている。
Now, how the Hall voltage V H is generated in the first embodiment will be described with reference to FIGS. 6 (A) and 6 (B). FIG. 6A is a plan view of a semiconductor substrate on which Hall elements and the like are formed. FIG. 6B is a diagram illustrating a cross-sectional view taken along line XX in FIG. In FIG. 6A, the source current I flows through the
係るソース電流8の流れる方向から、アンペールの法則により、図6(B)に示すように、ソース配線層8を取り囲む右回りの磁束密度Bが発生する。この場合、ソース配線層8の下部の絶縁膜7aはできるだけ薄くすることにより、N型半導体層1中の磁束密度Bを高める事ができる。磁束密度Bは図6(A)示すように、ソース配線層8の左側では紙面裏から表に向かい、ソース配線層8の右側では紙面表から裏に向かっている。図6(B)ではソース配線層8の左側では紙面下から上に、同左側では紙面上から下向きとなる。磁束密度Bの磁界中をホール電流IHが流れることにより、フレミングの左手の法則に従い、ホール電流IHを構成する電荷は、磁界から電流、磁界に垂直な方向に電磁力fを受け、図6(A)に示すように、電流経路の側面に集積される。
From the direction in which the source current 8 flows, a clockwise magnetic flux density B surrounding the
第1の実施形態での半導体基板はN型半導体層1なのでホール電流IHを構成する電荷は負電荷である電子となり、ホール電流IHの流れる方向とは逆方向に流れる。電磁力fを受けた電子は、図6(A)に示すように、ソース配線層8の左側のホール素子H1では紙面上から下へ、同右側のホール素子H2では下から上に向かう電磁力fを受ける。図6(B)で言えば、ソース配線層8の左側では紙面裏から表へ、同右側では表から裏に向かう電磁力fを受ける。その結果、図6(A)に示すように、ソース配線層8の左側のホール素子H1では、電子はホール電圧コンタクト層14a側に集積し、反対側のホール電圧コンタクト層14c側には正に帯電したドナーイオンが現れる。
A semiconductor substrate of the first embodiment charges constituting the N-
ソース配線層8の右側のホール素子H2では左側と逆に、電子はホール電圧コンタクト層14d側に集積し、反対側のホール電圧コンタクト層14b側は正に帯電したドナーイオンが現れる。その結果、ホール素子H1、H2それぞれにホール電圧VHが発生する。両ホール素子H1,H2はホール電圧電極11cで直列に接続できるので、ホール電圧電極11bを正極、ホール電圧電極11aを負極とする、単一のホール素子の2倍のホール電圧VHを得る事ができる。スペース等の関係でソース配線層8の片側のみにホール素子H1を形成する場合は、当然、ホール素子H1が発生する分だけのホール電圧VHを、ホール電圧電極11cを正極、ホール電圧電極11aを負極として、得る事ができる。
In the Hall element H2 on the right side of the
図7に示すように、図6(A)に示すソース配線層8の左から右にN型層1を流れるホール電流IHの経路を複数形成し、ソース配線層8の両側に、それに対応して、それぞれ複数のホール素子を直列に形成すれば、ホール電圧電極11aとホール電圧電極11b間に、複数の直列に接続されたホール素子H1〜H4が発生するホール電圧VHが加算され、更に高いホール電圧VHを得る事ができる。ホール電流IHを確保する事ができ、複数のホール素子Hが形成可能な領域があれば有効な手段である。もちろん、場所的、プロセス的制限等がある場合はソース配線層8の片側に1または複数のホール素子Hを形成しても良い。
As shown in FIG. 7, the path of the hole current I H flowing in the N-
また、ホール電流コンタクト層12a、12bはN+型層から形成され、両ホール電流コンタクト層12a、12b間のホール電流IHの電流通路は低濃度のN型層1で構成されている。ホール電圧VHは前述の式で表すように、ホール電流IHの電流通路であるN型層1の不純物濃度に反比例する。従って、高いホール電圧VHを実現するため、その部分の不純物濃度を逆導電型の不純物をイオン注入等することにより補償し、低下させる事が考えられる。しかし、この場合、ホール電流IHがその周辺の、イオン注入されていない、より濃度の高いN型層1に発散して流れてしまい、十分なホール電圧VH確保が難しくなる。
Further, the hole
また、別の問題として、ホール電流コンタクト層12aからホール電流コンタクト層12bに流れるホール電流IHは、ホール電流コンタクト層12aとホール電流コンタクト層12bのそれぞれに垂直方向に流れるのみならず、その周辺にも流れでる。更に、N型層1の深さ方向にも流れる。これらの横方向や深さ方向に流れる電流成分のホール電圧VHへの寄与度は低い。そこで、ホール電流電極12a,12bをP+型層で形成し、両ホール電流電極12a,12bに挟まれたホール電流IHの電流通路を低濃度のP型層にすることにより、また、ホール電流IHの電流通路を該P型層内に制限し無駄な電流成分を減少させることにより、更に、大きなホール電圧VHを発生させる事ができる。
Another problem is that the hole current I H flowing from the hole
次に、第1の実施形態に係るホール素子の製造方法について説明する。図5(B)、図5(C)にその断面図が示されている。これを見れば、ホール素子のN+型ホール電流コンタクト層10a等を形成するためには、図2に示すパワーN型MOSFET等のN+型コンタクト層4等の形成時に同時に形成できることが分かる。絶縁層7、ソース配線層8等、層間絶縁膜15についてもパワーN型MOSFET等の構成要素と同一である。ソース配線層8直下の絶縁膜7aはソース電流Iによる磁束密度を高くするため、出きるだけ薄い方がよいので、パワーN型MOSFETまたは通常のMOSFETのゲート酸化膜5等と同時に形成する等する事が望ましい。
Next, a method for manufacturing the Hall element according to the first embodiment will be described. The cross-sectional views are shown in FIGS. 5 (B) and 5 (C). From this, it can be seen that the N + type hole
目安として、直線電流で近似して前述したように、ソース電流Iが1A程度の場合、ソース配線層8の直下の絶縁膜7aの膜厚を100nmとした場合、40ガウスの磁束密度Bを得る事ができ、数mVのホール電圧VHを発生する事ができた。ソース配線層8の電位はアースラインと直結しているため接地電位になるので、絶縁膜7aの膜厚はさらに薄くする事が可能であり数10nm程度以下にする事も可能である。この場合、更に高いホール電圧VHを得る事ができる。
As a guideline, a magnetic flux density B of 40 gauss is obtained when the source current I is about 1 A and the thickness of the insulating
また、図5や図6(A)では、分かり易いように、ホール電圧コンタクト層14a,14b、14c,14dはその端部がソース配線層8の側面から離れて記載されているが、ソース配線層8の側面と重畳した位置に形成される事が望ましい。ソース配線層8の側面に近ければ近いほど図6(A)に示すN型半導体層1の表面からその内部に貫く磁束密度Bが強くなるからである。
Further, in FIG. 5 and FIG. 6A, the hole
また、ホール電流IHの電流通路の不純物濃度を低下させることによりホール電圧VHを高くするため、ホール電流電極12a,12b、及びそれらに挟まれた領域をそれぞれP+型層、P型層にすることについて、前述したが、これらを形成する工程も、特別に準備する必要はなく、P型MOSFETのP+型ソース層形成と同時に形成したり、閾値調整のボロン等のイオン注入工程と同時に処理する事ができる。
Further, in order to increase the hole voltage V H by reducing the impurity concentration of the current path of the hole current I H , the hole
このようにホール素子H1等を形成するために、原則的には、新たな工程の追加は不要であり、通常のMOSFET等の製造時に、一部フォトマスクのパターンを修正するだけでよい。また、ホール素子形成領域10もソース配線層8の近傍の小さな領域で十分なので、ホール素子H1等を形成することにより、全体のチップサイズを大きくする必要は無い。
In order to form the Hall element H1 and the like in this manner, in principle, it is not necessary to add a new process, and it is only necessary to modify a part of the photomask pattern at the time of manufacturing a normal MOSFET or the like. In addition, since the Hall
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態について、図8に基づいて説明する。図8(A)はホール素子H1,H2及びソース配線層8の配置を示す平面図である。また図8(B)は、図8(A)をX−X線で切断した断面図である。なお、第2の実施の形態は前述の図3(B)に相当するもので、図8に示すように、ソース配線層8の側面をN型半導体層1の表面からその内部に貫く磁束密度Bと、それを水平方向に垂直に横切るホール電流IHとの間の電磁力fを利用するものである。ソース配線層8の両側面にホール素子H1、H2を形成する点は第1の実施形態と同じである。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8A is a plan view showing the arrangement of the
この場合も、第1の実施形態と同様、ソース配線層8の片側のみにホール素子H1を形成しても良い。第1の実施形態と異なるのはホール電流IHの流れる方向である。ソース配線層8の左側のホール素子H1は、ホール電流IHが、ホール電流電極10aから流れ込み、ホール電流コンタクト層12aを経由し、ホール電流コンタクト層12cからホール電流電極10cに流れる。即ち、ソース電流8とホール電流IHが平行に流れる点が第1の実施形態と異なる点である。
Also in this case, the Hall element H1 may be formed only on one side of the
また、ソース電流Iから発生する磁束密度Bは、ソース電流Iが図8(A)に示すように紙面上から下に流れている場合、ソース配線層8の左側面では紙面表から裏に向かう。その結果、ホール電流IHを構成する電子は左向きの電磁力fを受け、図8(A),Bに示す、左側のホール電圧コンタクト層14a側に電子が集束し、右側のソース配線層8の側面直下のホール電圧コンタクト層14c側に正に帯電したドナーイオンが現れる。その結果、ホール電圧コンタクト層14aとホール電圧コンタクト層14cの間にホール電圧VHが発生し、ホール電圧電極11aとホール電圧電極11cでホール電圧VH検出する構成をとっている。
Further, the magnetic flux density B generated from the source current I is directed from the front side to the back side on the left side of the
図8においては、更に、高いホール電圧VHを確保するためソース配線層8の右側にもホール素子H2を形成している。左側のホール素子H1とは、磁束密度B、ホール電流IH、電子の受ける電磁力fのいずれもが、逆方向を向いている。従って、ホール電圧コンタクト層14b側に正のドナーイオンが現れ、ホール電圧コンタクト層14c側に電子が集結する。左側のホール素子H1を流れたホール電流IHはソース配線層8の左側から右側に延在して形成されたホール電流コンタクト層12cを通って流れ、右側のホール電流コンタクト層12cに到達し、そこから右側のホール素子H2をホール電流コンタクト層12bまで流れる。
8, further, to form a Hall element H2 to the right of the
図8(A)では、ホール電流IHは左側のホール素子H1から右側のホール素子H2までホール電流コンタクト層12cを経由して流れているが、これに限定されるものではなく、例えば、ソース配線層8の上に、層間絶縁膜を介して形成された配線層を経由して流れるものであっても良い。この場合、2つのホール素子H1、H2で発生するホール電圧VHは、図8(A)に示すように、ホール電圧電極11cで直列に接続され、それぞれのホール電圧VHの和として、ホール電圧電極11bを正極、ホール電圧電極11aを負極として、両ホール電圧電極11b,11a間に発生する。ソース配線層8の片側のみにホール素子H1を形成した場合は、ホール電圧電極11aとホール電圧電極11cの間に発生するホール電圧VHを利用する。
In FIG. 8A, the Hall current I H flows from the left Hall element H1 to the right Hall element H2 via the Hall
第2の実施形態に於いても、図示した説明は省略するが、第1の実施形態について図7で示したように、ソース配線層8の両側に複数のホール素子を配置することは可能であり、それぞれに発生したホール電圧VHを、更に直列に接続することにより、より高いホール電圧VHを発生させる事ができる。この場合、第1の実施形態に比し、ホール電流IHは1の電流通路でよい点が特徴である。
Also in the second embodiment, although the illustrated explanation is omitted, as shown in FIG. 7 for the first embodiment, it is possible to arrange a plurality of Hall elements on both sides of the
第2の実施形態のホール素子の製造も第1のホール素子の製造の場合と同じで、フォトマスクパターンのみを修正するだけで、原則、通常のMOSFETの製造プロセスと同時に製造する事ができる。 The manufacture of the Hall element of the second embodiment is the same as that of the first Hall element. In principle, the Hall element can be manufactured at the same time as a normal MOSFET manufacturing process only by correcting the photomask pattern.
〔第3の実施形態〕
第3の実施形態について、図9(A)、図9(B)を参照して説明するが、先の図4(A)に対応した実施形態である。図9(A)は第3の実施形態におけるホール素子H3の構成の一例を示す平面図である。ソース配線層8の直下から、ホール電流コンタクト層12a、12b及びホール電圧コンタクト層14b、14eがN型層1に延在している。それぞれには、ホール電圧電極11a,11b及びホール電流電極10a,10bが接続されている。図9(A)のX−X線での断面図である図9(B)を参照すれば、ホール電圧コンタクト層14eはP+型層で形成され、ホール電圧コンタクト層14bは、他の実施形態と同じくN+型層で形成されている。
[Third Embodiment]
The third embodiment will be described with reference to FIGS. 9A and 9B, which is an embodiment corresponding to FIG. 4A. FIG. 9A is a plan view showing an example of the configuration of the Hall element H3 in the third embodiment. The hole current contact layers 12 a and 12 b and the hole voltage contact layers 14 b and 14 e extend to the N-
第3の実施形態ではホール電流IHは、図9(B)に示すようにホール電流電極10aから流入し、ホール電流コンタクト層12aを通り、ソース配線層8の直下をホール電流コンタクト層12aまで、図9(B)の左側から右側に水平に流れる。この場合、ホール電圧コンタクト層14eがN+型層だとするとホール電流IHの大部分はN+型層からなる抵抗の低いホール電圧コンタクト層14eを流れることになり、電流通路の濃度に反比例するホール電圧VHは低くなってしまう。従って、ホール電圧コンタクト層14eをP+型層で形成し電子が高濃度のホール電圧コンタクト層14eに流入するのを防止している。
In the third embodiment, the hole current I H flows from the hole
また、第3の実施形態では、図9(B)、図9(C)に示すように、ソース配線層8を流れるソース電流Iによりソース配線層8の直下の半導体層に、図9(B)で言えば、紙面裏から表に向かう方向に、また、図9(A)のY−Y線の断面図である図9(C)で言えば、紙面左側から右側に向かう方向に磁束密度Bが発生する。この場合、ホール電流IHを構成する電子は紙面上から下に向かう電磁力fを受けることになる。その結果図9(B)、図9(C)では、P型半導体基板0上に形成されたN+型埋め込み層17側に負電荷を持った電子が終結し、P+型層からなるホール電圧コンタクト層14e側に正電荷からなるドナーイオンが現れる。
In the third embodiment, as shown in FIGS. 9B and 9C, the source current I flowing through the
即ちN型層1のホール電圧コンタクト層14eとN+型埋め込み層17の間にホール電圧VHが発生する。ホール電圧コンタクト層14eの電位はホール電圧電極11aで外部に引き出されるので問題ないが、N+型埋め込み層17側の電位はN型層1の内部にあり、外部に引き出すための手段が必要になる。そこでN+埋め込み層17とのコンタクト層としてN+Cコンタクト層16を形成し、N+Cコンタクト層16とホール電圧コンタクト層14bを接続することによりホール電圧電極11bにN+型埋め込み層17側の電位を引き出している。
That is, the hole voltage V H is generated between the hole
係る構成にすることにより、ホール電圧電極11a側を正極、ホール電圧電極11b側を負極とするホール電圧VHを得る事ができる。N型層1が薄い場合はかかる構成が可能である。本実施形態に係るホール素子の製造も、バイポーラIC製造プロセスが採用されている場合は、新たな工程を付加することなく、既存のプロセス作業と同時に行う事ができる。但し、N+埋め込み層17をできるだけ浅い位置に形成することにより、N+Cコンタクト層16を浅くする事ができるので、N型層1の表面からイオン注入により、浅い位置にN+埋め込み層17を形成するのが望ましい。
By adopting such a configuration, it is possible to obtain a Hall voltage V H having the positive electrode on the
〔第4の実施形態〕
次に第4の実施形態について、図10(A)、図10(B)を参照して説明する。本実施形態は図4(B)の形態に対応する。図10(A)はホール素子H4及びソース配線層8の配置を示す平面図である。図10(B)はそのX−X線断面図である。ソース配線層8の両側のホール電流電極10aからホール電流IHを流入させている。ホール電流電極10aから流入したホール電流IHはホール電流コンタクト層12aを通り図10(B)に示す低抵抗のN+Cコンタクト層16に流れ込む。N+Cコンタクト層16に流れ込んだホール電流IHは、その多くが低抵抗層であるN+埋め込み層17に流れ、そこからN型層1を通り、図10(A)に示すように、ホール電流コンタクト層12bまで流れ出る。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 10 (A) and 10 (B). This embodiment corresponds to the embodiment of FIG. FIG. 10A is a plan view showing the arrangement of the Hall element H4 and the
このような構成にすることにより、ホール電流IHは、N+埋め込み層17からソース配線層8の直下に形成されたホール電流コンタクト層12bに向かって、ソース配線層8の直下に発生している図10(B)の左から右に向かう磁束密度Bを直角に横切る成分を有して流れる。ホール電流IHを構成する負電荷を有する電子は磁束密度Bから、図10(A)で言えば上から下に向かう電磁力fを受け、ホール電極コンタクト層14b側に集束する。反対側のホール電極コンタクト層14a側には正電荷であるドナーイオンが発生する。その結果、ホール電圧電極11a側を正極、ホール電圧電極11b側を負極とするホール電圧VHが発生する。
With such a configuration, the hole current I H is generated immediately below the
この場合、ホール電流コンタクト層12aからN+Cコンタクト層16に流入したホール電流IHの一部は、図10(B)に示すように、N+Cコンタクト層16から直接横方向に、ソース配線層8の直下に形成されたホール電流コンタクト層12bに向かって流れる。このホール電流IH成分は、有効にホール電圧VHを発生しないので減らす必要がある。そのためには、ホール電流コンタクト層12a及びN+Cコンタクト層16をホール電流コンタクト層12bから可能な限り遠ざける必要がある。また、N+埋め込み層17をイオン注入によりできるだけ浅い位置に形成し、ホール電流コンタクト層12bとN+埋め込み層17の距離を小さくし、ホール電流IHがN+Cコンタクト層16からN+埋め込み層17を経由して、ホール電流コンタクト層12bへ流れやすい構成にする事が望ましい。
In this case, a part of the hole current I H flowing from the hole
図示した説明は省略するが、第4の実施形態についても、第1、第2の実施形態の場合と同様に、ソース配線層8の両側にホール素子Hを形成しても良い。この場合、ソース配線層8の直下のホール電流コンタクト層12bは、2つに分けてソース配線層8の両側の下部領域に形成し、ホール電圧コンタクト層14a,14b、ホール電圧電極11a、11bもそれぞれ2つに分け、ソース配線層8の両側に1対づつ形成する。スペースが無い場合等は、ソース配線層8の片側のみに形成できることは言うまでも無い。
Although not shown, the Hall elements H may be formed on both sides of the
第4の実施形態に係るホール素子H4の製造も、原則、通常の集積回路等の製造プロセス実施時に同時に形成できる。 In principle, the Hall element H4 according to the fourth embodiment can be formed at the same time when a manufacturing process of a normal integrated circuit or the like is performed.
なお、各実施形態については、各集積回路等の製造プロセスに適するものを選択すればよいが、一般的に言えば、ソース電流Iにより発生する磁束密度Bとホール電流IHを、できるだけ高い磁束密度Bをできるだけ多くのホール電流IHが垂直に横切るように構成すれば、高いホール電圧VHを得る事ができる。係る点から言えば、第1の実施形態及び第4の実施形態がこの条件をある程度満たしていると思われる。第1の実施形態で言えば、ホール電流IHの大部分がソース配線層8の側面の高い磁束密度Bを垂直に横切るからである。
For each embodiment, a suitable one for the manufacturing process of each integrated circuit or the like may be selected. Generally speaking, the magnetic flux density B generated by the source current I and the hall current IH are set to the highest possible magnetic flux. if configured as many hole current I H density B crosses the vertical, can be obtained a high Hall voltage V H. From this point of view, it seems that the first and fourth embodiments satisfy this condition to some extent. In terms of the first embodiment, because the majority of the hole current I H crosses the vertical high magnetic flux density B on the sides of the
第4の実施形態で言えば、ソース配線層8の直下の磁束密度Bを、ホール電流IHの大部分が下から上に、垂直に磁束密度Bを横切る成分を持って流れるからである。それに比して第2の実施形態では、図8(A)に示すように、ソース配線層8の側面の高い磁束密度B近辺を流れるホール電流IHは全体の一部であり、ソース配線層8から遠ざかるにしたがって磁束密度B低くなる部分を、多くのホール電流IHが流れるのでホール電圧VH発生に不利である。この場合、前述したように、ソース配線層8の両側に複数のホール素子を形成し、各ホール素子で発生するホール電圧VHを加算して高めることで対処できる。
In terms of the fourth embodiment is the magnetic flux density B directly under the
本実施形態においては、パワーN型MOSFETを取り上げて説明したが、これに限るものではなく、パワーP型MOSFETはもちろん、バイポーラ型のパワートランジスタのエミッタ電流検出等にも適用できることは言うまでも無い。 In the present embodiment, the power N-type MOSFET has been described. However, the present invention is not limited to this, and it goes without saying that the present invention can be applied not only to the power P-type MOSFET but also to the emitter current detection of a bipolar power transistor. .
1 N型層P+ 2 型ソース層 3a P+型ドレイン層
3b P−型ドリフト層 4 N+型バックゲートコンタクト層 5 絶縁膜
6 ゲート電極 7 絶縁膜 7a 絶縁膜 8 ソース配線層
8a ソース配線層 9 ドレイン配線層 10 ホール素子形成領域
I ソース電流 IH ホール電流 B 磁束密度 f 電磁力
H、H1〜H4 ホール素子 10a、10b ホール電流電極
11a、11b、 ホール電圧電極 12a、12b ホール電流コンタクト層
13 ホール電流通路
14a、14b、14c、14d、14e ホール電圧コンタクト層
15 層間絶縁膜 16 N+Cコンタクト層 17 N+埋め込み層
1 N-type layer P + 2
3b P− type drift layer 4 N + type back
6
8a
I source current I H Hall current B magnetic flux density f electromagnetic force
H, H1-
11a, 11b,
13 Hall current path
14a, 14b, 14c, 14d, 14e Hall voltage contact layer
15 Interlayer insulation film 16 N + C contact layer 17 N + buried layer
Claims (9)
前記ホール素子上または該ホール素子に近接した前記半導体層上に、絶縁膜を介して形成されたパワーデバイスの配線層と、からなり、
前記ホール素子は、前記配線層を流れる電流から生じる磁界によりホール電圧を発生することを特徴とする半導体装置。 A Hall element having a current terminal and a voltage terminal formed on the surface of the first conductivity type semiconductor layer;
A wiring layer of a power device formed through an insulating film on the Hall element or on the semiconductor layer adjacent to the Hall element;
The Hall element generates a Hall voltage by a magnetic field generated from a current flowing through the wiring layer.
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