JP2017166926A - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】応力による影響を抑え、磁気特性のシフトやばらつきが小さい磁気収束板とホール素子を備えた磁気センサおよびその製造方法を提供する。【解決手段】磁気センサは、表面にホール素子を備えた半導体基板と、半導体基板の裏面上に設けられた接着層と、接着層上に設けられた磁気収束板とを備える。磁気収束板は、半導体基板とは別途に用意しためっき用基板上に形成した下地導電層上に電解めっきにより形成し、上記接着層となる接着剤を磁気収束板表面に塗布して半導体基板裏面に接着し、その後めっき用基板を磁気収束板上の下地導電層から剥離することにより半導体基板の裏面上に形成される。【選択図】図１
Description
本発明は、ホール素子を用いた磁気センサおよびその製造方法に関し、特に、磁気収束板を備え、垂直及び水平方向の磁界を検知する磁気センサおよびその製造方法に関する。
ホール素子は磁気センサとして非接触での位置検知や角度検知が可能であることから様々な用途に用いられている。
まず、ホール素子の磁気検出原理について説明する。物質中に流れる電流に対して垂直な磁界を印加するとその電流と磁界の双方に対して垂直な方向に電界（ホール電圧）が生じる。そのため、一般的なホール素子は、シリコンなどの半導体基板（ウェハ）表面に電流を流して、垂直な磁界成分を検出する。
まず、ホール素子の磁気検出原理について説明する。物質中に流れる電流に対して垂直な磁界を印加するとその電流と磁界の双方に対して垂直な方向に電界（ホール電圧）が生じる。そのため、一般的なホール素子は、シリコンなどの半導体基板（ウェハ）表面に電流を流して、垂直な磁界成分を検出する。
さらに、高透磁率を有する材料で作製した磁性体薄膜と組み合わせ、磁性体薄膜を磁束の向きを変えてホール素子へと導く磁気収束板として利用することにより、垂直方向磁界だけでなく、水平方向磁界を検出することが可能となることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
磁気収束板を備えた磁気センサは、例えば、シリコン基板にホール素子を形成した後、シリコン基板上に電解めっきにより磁気収束板を形成する、あるいはシリコン基板の表面にポリイミドなどの保護膜を形成し、該保護膜上に電解めっきにより磁気収束板を形成することにより作製することができる（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、ホール素子が形成されたシリコン基板上に磁気収束板を形成した場合、金属である磁性体と、シリコン基板またはポリイミドなどの保護膜とでは熱膨張率が大きく異なるため、大きな応力が生じる。かかる応力は、磁気センサの磁気特性に影響を与え、磁気特性のシフトやばらつきが大きくなるといった問題につながる。
したがって、本発明は、応力による影響を抑え、磁気特性のシフトやばらつきが小さい磁気センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
したがって、本発明は、応力による影響を抑え、磁気特性のシフトやばらつきが小さい磁気センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の磁気センサは、表面にホール素子を備えた半導体基板と、前記半導体基板の裏面上に設けられた接着層と、前記接着層上に設けられた磁気収束板とを備えることを特徴とする。
本発明の磁気センサの製造方法は、半導体基板の表面にホール素子を形成する工程と、めっき用基板上に下地導電層を形成する工程と、前記下地導電層上に磁気収束板形成用の開口を有するレジストを形成する工程と、前記レジストが形成された状態で電解めっきを行い、前記開口内に磁気収束板を形成する工程と、前記レジストを除去する工程と、前記磁気収束板をマスクとして前記下地導電層をエッチング除去する工程と、前記磁気収束板上に接着剤を塗布する工程と、前記半導体基板の裏面と前記めっき用基板上に形成された前記磁気収束板とを前記接着剤により貼り合わせる工程と、前記めっき用基板を前記下地導電層から剥離する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、表面にホール素子を備えた半導体基板の裏面上に磁気収束板が設けられるため、半導体基板と磁気収束板との熱膨張率の差によって生じる応力が半導体基板の裏面側からかかることとなり、半導体基板の厚さ分、半導体基板の表面側に設けられたホール素子にかかる応力を抑制することができる。したがって、磁気センサの磁気特性の経時変化やばらつきを小さくすることが可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態の磁気センサの構造を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の磁気センサは、半導体基板１と、半導体基板１の表面に設けられ、互いに離間して配置された一対のホール素子２と、ホール素子２を含む半導体基板表面を覆う保護膜３と、半導体基板１の裏面上に設けられた接着層４０と、接着層４０を介して半導体基板１の裏面上に載置された磁気収束板１０と、磁気収束板１０の接着層４０と反対側の表面上に設けられた導電層１１とを備えている。
図１は、本発明の実施形態の磁気センサの構造を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の磁気センサは、半導体基板１と、半導体基板１の表面に設けられ、互いに離間して配置された一対のホール素子２と、ホール素子２を含む半導体基板表面を覆う保護膜３と、半導体基板１の裏面上に設けられた接着層４０と、接着層４０を介して半導体基板１の裏面上に載置された磁気収束板１０と、磁気収束板１０の接着層４０と反対側の表面上に設けられた導電層１１とを備えている。
本実施形態においては、半導体基板１はＰ型半導体基板であり、ホール素子２は、正方形もしくは十字型の４回回転軸を有する垂直磁界感受部と、その各頂点及び端部に同一形状の表面ｎ型高濃度不純物領域の垂直磁界検出制御電流入力端子及び垂直磁界ホール電圧出力端子を有する横型ホール素子である。
特性ばらつきの小さい磁気センサを実現するためには、ホール素子と磁気収束板の位置関係が重要であり、磁気収束板１０は、一対のホール素子２のそれぞれの少なくとも一部と平面視において重なるように配置されている。
かかる構成により、半導体基板１と磁気収束板１０との熱膨張率の差によって生じる応力が半導体基板１の裏面側からかかるため、半導体基板１の厚さ分、半導体基板１の表面に設けられたホール素子２にかかる応力が抑えられる。これにより、磁気特性の経時変化やばらつきが小さい磁気センサを得ることができる。
ここで、半導体基板１の厚さは、大きすぎると磁気収束板１０と半導体基板１表面のホール素子２との距離が遠くなって磁気センサの十分な感度が得られなくなり、また小さすぎると半導体基板１の表面のホール素子２にかかる応力が大きくなってしまうため、１００〜４００μｍ程度であることが好ましい。
また、磁気収束板１０の膜厚は、小さすぎると磁気センサの感度が小さくなってしまい、大きすぎると応力の影響が大きくなってしまうため、２０〜５０μｍ程度であることが好ましい。
次に、図１に示す磁気センサの製造方法につき、図２〜４を用いて説明する。
図２〜４は、本実施形態の磁気センサの製造方法を示す工程断面図であり、図２は、ホール素子の製造プロセス、図３は、磁気収束板の製造プロセス、図４は、半導体基板と磁気収束板とを貼り合わせるプロセスを示している。
図２〜４は、本実施形態の磁気センサの製造方法を示す工程断面図であり、図２は、ホール素子の製造プロセス、図３は、磁気収束板の製造プロセス、図４は、半導体基板と磁気収束板とを貼り合わせるプロセスを示している。
まず、図２（ａ）に示すように、Ｐ型半導体基板１の表面にホール素子２およびその制御回路等の周辺回路（図示せず）を通常の半導体製造プロセスにより形成する。
続いて、図２（ｂ）に示すように、ホール素子２及び周辺回路が形成された半導体基板１の裏面を研削し、半導体基板１の厚みを１００〜４００μｍ程度まで薄くする。
続いて、図２（ｂ）に示すように、ホール素子２及び周辺回路が形成された半導体基板１の裏面を研削し、半導体基板１の厚みを１００〜４００μｍ程度まで薄くする。
次に、図３（ａ）に示すように、半導体基板１とは別途に、磁気収束板形成用のめっき用基板３０を用意し、このめっき用基板３０上に磁気収束板１０の下地導電層１１を形成する。ここで、磁気収束板１０の下地導電層１１は電解めっきの電極となる。また、めっき用基板３０と下地電極層１１とは、後のプロセスにて剥離するため、両者間の密着性は弱いことが好ましい。したがって、下地導電層１１としては銅、めっき用基板３０としては、シリコンウェハやアクリル板などを用いるのが好適である。また、下地導電層１１の厚みは、応力を抑制するため、０．３〜１．０μｍ程度が好ましい。
そして、図３（ｂ）に示すように、形成する磁気収束板１０の形状を有する開口（「磁気収束板形成用の開口」ともいう）２０ａを備えたレジスト２０をフォトリソグラフィにより形成する。ここで、レジスト２０の厚さは、形成する磁気収束板１０の厚さより大きくする必要があるため、３０〜６０μｍ程度にすることが望ましい。
続いて、図３（ｃ）に示すように、電解めっきにより、レジスト２０の開口２０ａ内に２０〜５０μｍ程度の厚さの磁気収束板１０を形成する。磁気収束板１０は、パーマロイやスーパーマロイなどの低保磁力で高透磁率を持つ軟磁性体材料で作製することが望ましい。
そして、図３（ｄ）に示すように、レジスト２０を除去することで、所望の形状の磁気収束板１０が得られる。
さらに、図３（ｅ）に示すように、磁気収束板１０をマスクとして下地導電層１１をエッチング除去する。
さらに、図３（ｅ）に示すように、磁気収束板１０をマスクとして下地導電層１１をエッチング除去する。
なお、本実施形態においては、磁気収束板１０をパーマロイやスーパーマロイなどの低保磁力で高透磁率を持つ軟磁性体で作製していることから、めっき後に水素雰囲気中で８００〜１０００℃の高温アニール処理を行うことが望ましい。これにより軟磁性を向上させ、性能の良い磁気収束板を得ることができる。これに対し、背景技術に記載したような従来の半導体基板上にめっきにより磁気収束板を形成する方法においては、半導体基板に形成されている素子へ影響を与えてしまうため、このようなアニール処理ができない。したがって、本実施形態によれば、従来の製造方法による磁気収束板よりも性能の良い磁気収束板を作製することができる。
ただし、本実施形態においても、めっき用基板３０としてアクリル板を使用した場合はアニール処理を行うことができないため、所望の軟磁性を得るためにアニール処理が必要な場合は、めっき用基板３０としてシリコンウェハを用いる。
次に、図４（ａ）に示すように、図３に示す工程によりめっき用基板３０上に作製された磁気収束板１０の上に接着剤（接着層）４０を塗布する。接着剤４０は、下地導電層１１とめっき用基板３０との密着性よりも、半導体基板１との密着性の方が強力である必要があり、例えば、エポキシ系接着剤を好適に用いることができる。
そして、図２に示す工程により作製された、表面にホール素子２が形成された半導体基板１の裏面に、めっき用基板３０上に作製された磁気収束板１０を接着剤４０により貼り合わせる。
なお、上述のように、磁気収束板１０の形成後にアニール処理を行った場合、磁気収束板１０が反る等、磁気収束板１０に歪みが生じる場合があるが、半導体基板１と磁気収束板１０とを接着剤４０によって接着するため、接着剤４０の厚みを調節することにより半導体基板１と磁気収束板１０との間に隙間を生じさせずに両者を貼り合わせることができる。
また、アニール処理によって生じる磁気収束板１０の歪みが大きい場合には、アニール処理後にポリッシングを行って、磁気収束板１０の表面を平坦化する工程を追加してもよい。なお、レジスト２０の除去後にポリッシングを行うと、磁気収束板１０の周縁部が削れてテーパーが付くことがあるが、これは、テーパー部に磁束が集中して感度の向上に繋がることであるため、特に問題ない。
ここで、めっき用基板３０として、半導体基板１として用いるシリコンウェハと同一または同一形状且つ同一寸法のシリコンウェハ、あるいは同一形状且つ同一寸法のアクリル板を用い、それぞれにアライメントマークを設けておくことにより、半導体基板１とめっき用基板３０とをアライメントするだけで、ホール素子２と磁気収束板１０との位置ばらつきを小さくすることができ、したがって、特性ばらつきの小さい磁気センサを作製することが可能となる。
接着剤４０が硬化した後、図４（ｂ）に示すように、めっき用基板３０を下地導電層１１から剥離することにより、図１に示すように、所望の領域に磁気収束板１０が形成される。このとき、上述のとおり、めっき用基板３０と下地導電層１１との密着性が弱いため、容易に剥離することが可能である。
以上説明したとおり、本実施形態によれば、応力による磁気特性のばらつきやシフトの小さい磁気センサおよびその製造方法を提供することができる。また、フォトリソグラフィと電解めっきにより磁気収束板の形成ができるため、製造コストを抑制することもできる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態においては、保護膜３を形成しているが、必ずしも設けなくても構わない。
また、上記実施形態は、半導体基板１としてＰ型半導体基板を用いた例を示しているが、Ｎ型半導体基板を用いることも可能である。
例えば、上記実施形態においては、保護膜３を形成しているが、必ずしも設けなくても構わない。
また、上記実施形態は、半導体基板１としてＰ型半導体基板を用いた例を示しているが、Ｎ型半導体基板を用いることも可能である。
１ 半導体基板
２ ホール素子
３ 保護膜
１０ 磁気収束板
１１ 下地導電層
２０ レジスト
３０ めっき用基板
４０ 接着剤（接着層）
２ ホール素子
３ 保護膜
１０ 磁気収束板
１１ 下地導電層
２０ レジスト
３０ めっき用基板
４０ 接着剤（接着層）
Claims (7)
- 表面にホール素子を備えた半導体基板と、
前記半導体基板の裏面上に設けられた接着層と、
前記接着層上に設けられた磁気収束板と、
を備える磁気センサ。 - 前記磁気収束板の前記接着層と反対側の表面上に設けられた導電層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
- 前記半導体基板の厚さが１００〜４００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
- 前記磁気収束板の厚さが２０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
- 半導体基板の表面にホール素子を形成する工程と、
めっき用基板上に下地導電層を形成する工程と、
前記下地導電層上に磁気収束板形成用の開口を有するレジストを形成する工程と、
前記レジストが形成された状態で電解めっきを行い、前記開口内に磁気収束板を形成する工程と、
前記レジストを除去する工程と、
前記磁気収束板をマスクとして前記下地導電層をエッチング除去する工程と、
前記磁気収束板上に接着剤を塗布する工程と、
前記半導体基板の裏面と前記めっき用基板上に形成された前記磁気収束板とを前記接着剤により貼り合わせる工程と、
前記めっき用基板を前記下地導電層から剥離する工程とを備えることを特徴とする磁気センサの製造方法。 - 前記半導体基板の裏面を研削して、前記半導体基板の厚さを１００〜４００μｍにする工程をさらに含む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。
- 前記磁気収束板の厚さが２０〜５０μｍであることを特徴とする請求項５または６に記載の磁気センサの製造方法。
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