JP2021071488A - Magnetic sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ホール素子を用いた磁気センサに関し、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に関する。 The present invention relates to a magnetic sensor using a Hall element, and more particularly to a magnetic sensor provided with a magnetic focusing plate and detecting a magnetic field in the vertical and horizontal directions.
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。
Hall elements are used in various applications as magnetic sensors because they can detect positions and angles in a non-contact manner.
First, the magnetic detection principle of the Hall element will be described. When a magnetic field perpendicular to the current flowing through a substance is applied, an electric field (Hall voltage) is generated in a direction perpendicular to both the current and the magnetic field. Therefore, in a general Hall element, a current is passed through the surface of a semiconductor substrate (wafer) such as silicon to detect a vertical magnetic field component.
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)。 Furthermore, by combining it with a magnetic thin film made of a material with high magnetic permeability and using the magnetic thin film as a magnetic focusing plate that changes the direction of magnetic flux and guides it to the Hall element, not only the vertical magnetic field but also the horizontal direction It is known that a magnetic field can be detected (see, for example, Patent Document 1).
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)。 In a magnetic sensor provided with a magnetic convergence plate, for example, a Hall element is formed on a silicon substrate and then a magnetic convergence plate is formed by electroplating on the silicon substrate, or a protective film such as polyimide is formed on the surface of the silicon substrate. , It can be produced by forming a magnetic focusing plate on the protective film by electroplating (see, for example, Patent Document 2).
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。
However, when a magnetic converging plate is formed on a silicon substrate on which a Hall element is formed, a large stress is generated because the coefficient of thermal expansion differs greatly between the magnetic material as a metal and the protective film such as a silicon substrate or polyimide. Such stress affects the magnetic characteristics of the magnetic sensor, leading to problems such as a large shift and variation in the magnetic characteristics.
Therefore, an object of the present invention is to provide a magnetic sensor and a method for manufacturing the same, in which the influence of stress is suppressed and the shift and variation of magnetic characteristics are small.
本発明の磁気センサは、半導体基板と、前記半導体基板の表面に離間領域を介して離間して配置された一対のホール素子と、磁気収束板と、を備え前記磁気収束板は前記半導体基板の裏面のみに設けられ、且つ前記半導体基板の裏面と前記磁気収束板との間に接着層を備え、前記磁気収束板は前記一対のホール素子のそれぞれの少なくとも一部に平面視において重なるように配置されていることを特徴とする。 The magnetic sensor of the present invention includes a semiconductor substrate, a pair of Hall elements arranged apart from each other on the surface of the semiconductor substrate via a separation region, and a magnetic convergence plate, and the magnetic convergence plate is the semiconductor substrate. It is provided only on the back surface, and an adhesive layer is provided between the back surface of the semiconductor substrate and the magnetic convergence plate, and the magnetic convergence plate is arranged so as to overlap at least a part of each of the pair of Hall elements in a plan view. It is characterized by being done.
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。
The method for manufacturing a magnetic sensor of the present invention includes a step of forming a hole element on the surface of a semiconductor substrate, a step of forming a base conductive layer on a plating substrate, and an opening for forming a magnetic convergence plate on the base conductive layer. A step of forming a resist having the above, a step of performing electrolytic plating in the state where the resist is formed to form a magnetic convergence plate in the opening, a step of removing the resist, and using the magnetic convergence plate as a mask. The step of etching and removing the underlying conductive layer, the step of applying an adhesive on the magnetic convergence plate, and the magnetic convergence plate formed on the back surface of the semiconductor substrate and the plating substrate are subjected to the adhesive. It is characterized by including a step of laminating and a step of peeling the plating substrate from the underlying conductive layer.
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。 According to the present invention, since the magnetic convergence plate is provided on the back surface of the semiconductor substrate having the Hall element on the front surface, the stress generated by the difference in the thermal expansion coefficient between the semiconductor substrate and the magnetic convergence plate is generated from the back surface side of the semiconductor substrate. This makes it possible to suppress the stress applied to the Hall element provided on the surface side of the semiconductor substrate by the thickness of the semiconductor substrate. Therefore, it is possible to reduce the time-dependent change and variation of the magnetic characteristics of the magnetic sensor.
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。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the magnetic sensor of the present embodiment includes a semiconductor substrate 1, a pair of
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。
In the present embodiment, the semiconductor substrate 1 is a P-type semiconductor substrate, and the
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。
In order to realize a magnetic sensor with small characteristic variation, the positional relationship between the Hall element and the magnetic convergence plate is important, and the
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。
With this configuration, stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor substrate 1 and the
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。
Here, if the thickness of the semiconductor substrate 1 is too large, the distance between the
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。
Further, the film thickness of the
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。
Next, the method of manufacturing the magnetic sensor shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
2 to 4 are process cross-sectional views showing a manufacturing method of the magnetic sensor of the present embodiment, FIG. 2 is a manufacturing process of a Hall element, FIG. 3 is a manufacturing process of a magnetic focusing plate, and FIG. 4 is a semiconductor substrate. The process of bonding the magnetic converging plate and the magnetic focusing plate is shown.
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。
First, as shown in FIG. 2A, peripheral circuits (not shown) such as the
Subsequently, as shown in FIG. 2B, the back surface of the semiconductor substrate 1 on which the
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。
Next, as shown in FIG. 3A, a
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。
Then, as shown in FIG. 3B, a
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。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a
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。
Then, as shown in FIG. 3D, by removing the
Further, as shown in FIG. 3E, the underlying
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。
In the present embodiment, since the magnetic focusing
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。
However, also in this embodiment, when an acrylic plate is used as the plating
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。
Next, as shown in FIG. 4A, the adhesive (adhesive layer) 40 is applied onto the
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。
Then, the
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。
As described above, when the annealing treatment is performed after the formation of the
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。
Further, when the distortion of the magnetic converging
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。
Here, as the plating
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。
After the adhesive 40 is cured, as shown in FIG. 4B, the plating
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。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a magnetic sensor having a small variation in magnetic characteristics and a small shift due to stress, and a method for manufacturing the same. Further, since the magnetic focusing plate can be formed by photolithography and electroplating, the manufacturing cost can be suppressed.
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。
Although the embodiments of the present invention have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, the
Further, although the above embodiment shows an example in which a P-type semiconductor substrate is used as the semiconductor substrate 1, an N-type semiconductor substrate can also be used.
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)
Claims (4)
前記半導体基板の表面に離間領域を介して離間して配置された一対のホール素子と、
磁気収束板と、を備え
前記磁気収束板は前記半導体基板の裏面のみに設けられ、且つ前記半導体基板の裏面と前記磁気収束板との間に接着層を備え、
前記磁気収束板は前記一対のホール素子のそれぞれの少なくとも一部に平面視において重なるように配置されていることを特徴とする磁気センサ。 With a semiconductor substrate
A pair of Hall elements arranged apart from each other on the surface of the semiconductor substrate via a separation region,
A magnetic converging plate is provided, and the magnetic converging plate is provided only on the back surface of the semiconductor substrate, and an adhesive layer is provided between the back surface of the semiconductor substrate and the magnetic converging plate.
A magnetic sensor characterized in that the magnetic focusing plate is arranged so as to overlap at least a part of each of the pair of Hall elements in a plan view.
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