JP2990971B2 - 半導体薄膜磁気抵抗素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，回転，変位等の検出に
用いられる磁電変換素子に関するものであり，特に耐熱
性を必要とされる環境下において使用される半導体薄膜
磁気抵抗素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に回転の検出方式としては，光学
式，磁気方式等種々の方式があるが，これらの方式の中
で，汚れ，塵埃などの付着しやすい環境における用途に
は，これらの雰囲気の影響を受けにくい磁気方式が最も
有利である。また，この磁気方式においても，電磁ピッ
クアップ，ホール素子，磁気抵抗素子等の種々の方式が
あるが，近年自動車の電子化に伴って各種センサ素子が
装着される中で，回転数検出用センサ，特に鉄製歯車と
組み合わせたギヤセンサとして，小型化が可能なホール
素子（ホールＩＣ），強磁性薄膜磁気抵抗素子，半導体
薄膜磁気抵抗素子等を用いたギヤセンサが広く検討され
ている。

【０００３】しかし，ホール素子，ホールＩＣおよび強
磁性薄膜磁気抵抗素子は感磁部における検出出力が小さ
く，ノイズ低減のために鉄製歯車と被検出体とのギャッ
プを小さくする必要があることから，ギヤセンサとして
は使いにくいという問題があった。これらに対し，半導
体薄膜磁気抵抗素子は，電子移動度の大きい半導体を使
用することにより検出出力を大きくすることができ，被
検出体とのギャップの許容度も大きく採れるため，半導
体中で最も電子移動度の大きいアンチモン化インジウム
（以下ＩｎＳｂと記す）を用いた半導体薄膜磁気抵抗素
子が最もギヤセンサに適しているものと考えられる。

【０００４】以下に従来のＩｎＳｂを用いた半導体磁気
抵抗素子について製造工程とともに説明する。半導体薄
膜磁気抵抗素子は従来例および本発明の実施例に共通し
て概ね図８に示す構造となっており，以下図８における
Ａ−Ａ’断面の構造により説明する。図７は従来のＩｎ
Ｓｂを用いた半導体薄膜磁気抵抗素子の断面構造を示す
ものである。図７において，２１は厚さ１mm程度のガラ
ス等からなる絶縁性基板である。２２は厚さ数μｍ〜数
十μｍ程度の薄板状のＩｎＳｂからなる半導体層で，エ
ポキシ樹脂等の接着層２３により絶縁性基板２１上に固
着されている。この半導体層２２は特性の優れたものを
得るために，ＩｎＳｂ単結晶を研磨して薄板化したもの
や，マイカ基板上に真空蒸着によってＩｎＳｂ単結晶を
形成した後マイカ基板との剥離性を利用して転写するこ
とによって得られる。

【０００５】次に固着されたＩｎＳｂ表面を有機洗浄，
塩酸系洗浄液で洗浄し，汚染物質及び酸化膜を除去す
る。この洗浄された半導体層２２上に真空蒸着，スパッ
タリング等の薄膜プロセスや湿式メッキ法により，厚さ
１μｍ程度の銅からなる短絡電極２４と，端子電極２５
を形成する。この状態から，フォトリソグラフィー法に
より半導体層２２および短絡電極２４を磁気抵抗素子の
形状に加工する。湿式メッキ法による場合は予め必要部
位にのみ短絡電極２４を形成可能なため、この工程は簡
易化される。２６は厚さ１μｍ程度の二酸化珪素等から
なる保護層であり，素子形状に加工後，端子電極２５上
を除き，半導体層２２や接着層２３，短絡電極２４上に
スパッタリング等の薄膜プロセスにより形成する。以上
の構成によりＩｎＳｂを用いた半導体薄膜磁気抵抗素子
の構造を得る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、塩酸系洗浄液での洗浄後から短絡電極の
形成までの間にＩｎＳｂ半導体層２２の表面に自然酸化
膜が形成されてしまい，この自然酸化膜上に短絡電極２
４となる金属を形成した場合，半導体と金属の界面に酸
化物（一般に絶縁体）層が残存し，これが電子の移動に
対する障壁となって接触抵抗値が増大し，素子特性の劣
化の原因となる。この影響を少なくするために短絡電極
２４の材料としてＩｎＳｂと反応性の高い金属（銅，イ
ンジウム，銀）などを使用して，相互拡散により酸化物
の影響を除去していた。しかしＩｎＳｂと反応性の高い
金属を使用しているために１５０℃以上の高温下ではＩ
ｎＳｂと金属との合金化が短時間で進行し，素子特性が
著しく劣化するため自動車用として必要な＋１７０℃ま
での温度範囲において実用に耐え得る信頼性を有してい
ないという問題点を有していた。

【０００７】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で，自動車用ギヤセンサ等の高温用途において，高温で
劣化しない十分な信頼性を有する半導体薄膜磁気抵抗素
子およびその製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体薄膜磁気抵抗素子は，絶縁性基板上に
設けたＩｎＳｂからなる半導体層表面に形成したアンチ
モン化インジウムの硫化層と，この硫化層上に形成した
短絡電極と，絶縁性基板または半導体層に形成した端子
電極と，絶縁性基板，半導体層および短絡電極それぞれ
の露出表面上に形成した絶縁体からなる保護層とを備え
た構成とする。また，本発明の半導体磁気抵抗素子の製
造方法は，半導体層表面を多硫化アンモニウム溶液に浸
漬して硫化した後，１００〜３５０℃の温度範囲内で短
絡電極を形成する製造方法としている。

【０００９】

【作用】この構成によって，ＩｎＳｂ表面の硫化層によ
りＩｎＳｂの自然酸化を防止することが可能となり，ま
た短絡電極形成時の１００〜３５０℃の加熱によりＩｎ
Ｓｂの最表面のみ残して過剰の硫化層は脱離し，短絡電
極との界面に電子の移動に影響を及ぼす厚さの障壁を形
成しないために，ＩｎＳｂとの反応性の低い金属を短絡
電極として使用することが可能となり，２００℃付近ま
での安定性を有する低接触抵抗値の短絡電極を得られる
ものである。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について，図面を参
照しながら説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施例におけるＩｎ
Ｓｂを用いた半導体薄膜磁気抵抗素子の断面図である。
図１において，１は厚さ０．５mm程度の絶縁性のガラス
基板である。２は厚さ３μｍ程度のＩｎＳｂからなる半
導体層であり，ＩｎおよびＳｂの２つの蒸発源の温度と
基板温度とを制御する三温度蒸着法によりガラス基板１
の上に直接設ける。この後半導体層２をガラス基板１と
ともに多硫化アンモニウム（(NH₄)₂S_X）溶液に１〜３分
間浸漬し半導体層２のＩｎＳｂ表面を硫化して硫化層３
を形成する。

【００１２】この硫化層３上に真空蒸着法により１００
℃から３５０℃の温度範囲で厚さ５００nm程度のクロム
からなる短絡電極４を設ける。このとき，短絡電極４の
形成温度が１００℃以下の温度であれば硫化層３表面に
過剰の硫黄が残留してしまうため硫化層３（半導体層
２）と短絡電極４との間の十分な密着強度が得られな
い。また３５０℃以上であれば硫化層３をとおして半導
体層２のＩｎＳｂからＳｂの脱離が生じて半導体層２の
特性が劣化するため，真空装置内にＳｂ蒸気の圧力を付
与することが必要となり，短絡電極４の形成時にＳｂが
混入するといった問題が生じることから，１００℃から
３５０℃の温度範囲に加熱して単分子程度の厚さの硫化
層３を保持した状態で短絡電極４を設けることが必要で
ある。さらに短絡電極４をＩｎＳｂ中でドナーとなるク
ロムで形成することにより，硫化層３を通した半導体層
２と短絡電極４の接触抵抗値を低減させることができ
る。

【００１３】この後，フォトリソグラフィー法を用い
て，短絡電極４のクロムは水酸化ナトリウムと過マンガ
ン酸カリウムの水溶液により，また半導体層２のＩｎＳ
ｂは硝酸，乳酸，グリコール酸の混液によりそれぞれエ
ッチングすることにより半導体層２および短絡電極４を
加工し磁気抵抗素子の形状を得る。このクロムのエッチ
ングの際に硫化層３は酸化されて除去され半導体層２が
露出する。さらに後術の端子電極５を形成する部位を除
き，ガラス基板１，半導体層２および短絡電極４の露出
表面上にＲＦマグネトロンスパッタ法により二酸化珪素
からなる保護層６を形成した後，半導体層２の端部に厚
さ１um程度のニッケルと厚さ０．１um程度の金を順次湿
式メッキして端子電極５を形成することにより半導体薄
膜磁気抵抗素子を得る。

【００１４】このようにして得られた半導体層２と短絡
電極４の界面には，図３（ａ），（ｂ）に示すＡＥＳ分
析（オージェ電子分光分析）結果から硫化層３の形成に
よって界面の酸素が存在しなくなることがわかる。また
硫化層３の有無による半導体層２と短絡電極４の接触抵
抗値の比較をすると，図４に示すように硫化層３の存在
により接触抵抗値は低くかつ安定に保たれることがわか
る。さらに得られた半導体薄膜磁気抵抗素子と従来の例
とを同時に２００℃における高温放置試験を行った際の
素子抵抗値の変化を図５に示す。図５より本実施例では
１０００時間の試験中において抵抗値の変化率が２％以
内の極めて安定した素子が得られることがわかる。

【００１５】なお，本実施例では端子電極４をニッケル
と金のメッキで形成したが，金を銅やハンダとしてもよ
く，また短絡電極４の形成時と同様にクロムを蒸着した
後ニッケルを蒸着して形成してもよい。

【００１６】また短絡電極４をクロムからなるとした
が，同様の安定性の得られるチタンとしてもよい。

【００１７】さらに保護層６をＲＦマグネトロンスパッ
タ法による二酸化珪素で形成したが，シラン，亜酸化窒
素，窒素等を原料ガスとするプラズマ化学気相堆積法
（ＰＥＣＶＤ法）を用いた酸窒化珪素で形成してもよ
い。

【００１８】以上のように本実施例によれば，絶縁性の
ガラス基板１上にＩｎＳｂからなる半導体層２を設け，
この半導体層２表面にアンチモン化インジウムの硫化層
３を設け，この硫化層３上にクロムからなる短絡電極４
を設けてなる構成とし，半導体層２を多硫化アンモニウ
ム溶液に浸漬して表面に硫化層３を形成する工程と，こ
の硫化層上に１００〜３５０℃の温度範囲内で短絡電極
４を形成する工程とを備えることによって，十分な密着
強度を有し低接触抵抗値の安定な短絡電極４を得ること
ができるとともに素子の抵抗値の安定化を図ることがで
き，素子の耐熱性を２００℃まで向上することができ
る。

【００１９】（実施例２）図２は本発明の第２の実施例
におけるＩｎＳｂを用いた半導体薄膜磁気抵抗素子の断
面図である。図２において，７は厚さ方向にスルーホー
ルを設けた厚さ０．６mm程度のアルミナ基板であり，８
はアルミナ基板７の素子を設ける面上に印刷焼成にて形
成した厚さ５０μｍ程度のガラス層，９はアルミナ基板
７のスルーホール部に銀とパラジウムの合金からなる導
体を印刷焼成にて形成した厚さ１０μｍ程度の導電体で
端子電極として使用するものである。２，３および６は
第１の実施例と同様のそれぞれ半導体層，硫化層と保護
層で，それらの材料，形成法，加工法は第１の実施例と
同様である。

【００２０】１０は厚さ１００nm程度のクロムからなる
下部短絡電極であり，１１は短絡電極の引き回し抵抗値
を低減するために設ける低抵抗率を有するアルミニウム
からなる上部短絡電極である。これらは第１の実施例と
同様に１００℃から３５０℃の温度範囲で真空蒸着法に
より形成する。このとき下部短絡電極１０のクロムの厚
さは，５０nmより薄い場合は素子完成後高温で保持する
時間とともに上部短絡電極１１のアルミニウムが半導体
層２まで拡散し，図６に示すように接触抵抗値が増大す
るため５０nm以上は必要である。本実施例ではクロムの
抵抗率がアルミニウムの約５倍あるため必要以上に厚く
することはないため１００nmとしている。また上部短絡
電極１１のアルミニウムは短絡電極の引き回し抵抗値を
低減するためのものであるため，磁気抵抗素子の抵抗値
とのバランスにより厚さ１００〜１０００nmが妥当であ
る。

【００２１】以上のように構成された半導体薄膜磁気抵
抗素子において，第１の実施例と同様に従来の例と同時
に２００℃における高温放置試験を行った際の素子抵抗
値の変化を第１の実施例とともに図５に示す。図５よ
り，本実施例の素子は第１の実施例と同様の安定性を有
していることがわかる。

【００２２】以上のように本実施例によれば，厚さ方向
にスルーホールを設けたアルミナ基板７と，このアルミ
ナ基板７の素子を設ける面上に形成したガラス層８と，
アルミナ基板７のスルーホールに形成した導電体９とか
らなる絶縁性基板上にＩｎＳｂからなる半導体層２を設
け，この半導体層２表面にアンチモン化インジウムの硫
化層３を設け，この硫化層３上にこの半導体層８上に厚
さ５０nm以上のクロムからなる下部短絡電極１０と厚さ
１００〜１０００nmのアルミニウムからなる上部短絡電
極１１を順次設けてなる構成とし，半導体層２を多硫化
アンモニウム溶液に浸漬して表面に硫化層３を形成する
工程と，この硫化層上に１００から３５０℃までの温度
範囲内で短絡電極４を形成する工程とを備えることによ
って，十分な密着強度を有し低接触抵抗値の安定な短絡
電極４を得ることができるとともに素子の抵抗値の安定
化を図ることができ，素子の耐熱性を２００℃まで向上
することができる。また，スルーホールの導電体９を設
けたことにより，アルミナ基板７の裏面に強固にリード
端子が取り付けできるとともに，高温になって導電体９
と半導体層２とが仮に反応しても導電体９は半導体２の
裏面側にあるため特性への影響は小さい。

【００２３】なお，本実施例では上部短絡電極をアルミ
ニウムからなるとしたが，上部短絡電極は低抵抗率のも
のであればよく，抵抗率がアルミニウムと同等以下の銅
や金からなるとしてもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明は，絶縁性基板上に
設けたＩｎＳｂからなる半導体層表面にアンチモン化イ
ンジウムの硫化層を設け，この硫化層上に短絡電極を設
けてなる構成とすることにより，使用温度が−５０〜＋
１７０℃である自動車用ギヤセンサ等の高温用途に対し
て，２００℃においても十分な耐熱性を有する優れた高
信頼性の半導体薄膜磁気抵抗素子を実現できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における半導体薄膜磁気
抵抗素子の断面図

【図２】本発明の第２の実施例における半導体薄膜磁気
抵抗素子の断面図

【図３】本発明における半導体層と短絡電極の界面のＡ
ＥＳ分析結果を示す図 （ａ）は硫化層無し （ｂ）は硫化層有り

【図４】本発明の第１の実施例の２００℃の恒温放置試
験における硫化層の有無による半導体層と短絡電極との
接触抵抗値の変化の比較図

【図５】本発明の第１の実施例，第２の実施例および従
来例の２００℃の恒温放置試験における素子抵抗値の変
化の比較図

【図６】本発明の第２の実施例の２００℃の恒温放置試
験における下部短絡電極の厚さによる半導体層と短絡電
極との接触抵抗値の変化の比較図

【図７】従来の半導体薄膜磁気抵抗素子の断面図

【図８】半導体薄膜磁気抵抗素子の概略構造を示す斜視
図

【符号の説明】

１ ガラス基板（絶縁性基板） ２ 半導体層 ３ 硫化層 ４ 短絡電極 ５ 端子電極 ６ 保護層 ７ アルミナ基板 ８ ガラス層 ９ 導電体（端子電極） １０ 下部短絡電極 １１ 上部短絡電極

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板と，この絶縁性基板上に形成し
   たアンチモン化インジウムからなる半導体層と，この半
   導体層表面に形成したアンチモン化インジウムの硫化層
   と，この硫化層上に形成した短絡電極と，前記絶縁性基
   板または前記半導体層に設けた端子電極と，前記絶縁性
   基板，前記半導体層および前記短絡電極それぞれの露出
   表面上に形成した絶縁体からなる保護層とを備えた半導
   体薄膜磁気抵抗素子。
2. 【請求項２】短絡電極が，少なくとも硫化層に接する側
   に厚さ５０nm以上のクロムを形成してなる請求項１記載
   の半導体薄膜磁気抵抗素子。
3. 【請求項３】絶縁性基板上にアンチモン化インジウムか
   らなる半導体層を形成する工程と，この状態で多硫化ア
   ンモニウム溶液に浸漬して半導体層表面にアンチモン化
   インジウムの硫化層を形成する工程と，この硫化層上に
   １００℃以上３５０℃以下の温度範囲内で短絡電極を形
   成する工程と，前記絶縁性基板または前記半導体層に端
   子電極を形成する工程と，前記半導体層および前記短絡
   電極をフォトリソグラフィー法により加工する工程と，
   この加工後前記絶縁性基板，前記半導体層および前記短
   絡電極それぞれの露出表面上に保護層を形成する工程と
   を備えた半導体薄膜磁気抵抗素子の製造方法。