JP3141347B2 - トランジスタ型磁気センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁場の強さを検出する
トランジスタ型磁気センサに係り、特にバイポーラトラ
ンジスタのコレクタ領域中に少数キャリア注入領域を設
けた構造を採用して、磁場の検出信号を同時に増幅する
機能を具備させた磁気センサに関するものである。

【０００２】従来から知られているトランジスタ型磁気
センサとして、ベースの下に複数の埋込コレクタを設け
たコレクタ分離トランジスタ（バイポーラ）型のものが
ある（例えば、S.Kordic,IEEE Electron Device Lett.,
DEL-7 196(1986)）。

【０００３】このコレクタ分離トランジスタ型磁気セン
サは、図７に示すように、半導体基板１に形成した第
１、第２の埋込コレクタ２、３に第１、第２のコレクタ
４、５を連続接続し、またこの第１、第２のコレクタ
４、５をコレクタ取出領域（オーミックコンタクト領
域）６、７によって第１、第２のコレクタ電極８、９に
接続している。１０はベース、１１はエミッタ、１２は
ベース電極、１３はエミッタ電極、１４はエピタキシャ
ル層、１５はアイソレーション領域である。

【０００４】このコレクタ分離トランジスタ型磁気セン
サの動作原理は、エミッタ１１からベース１０に注入す
るときのエミッタ注入変調、あるいはコレクタ領域１６
（コレクタ２〜５で囲まれたエピタキシャル層１４の部
分）でのローレンツ力によるキャリアの偏向であると説
が分かれているが、コレクタ領域１６でのローレンツ力
によるキャリア偏向が主となっている可能性が強いよう
である。

【０００５】すなわち、磁束Ｂが図７の紙面の手前から
裏面に向かうとすると、エミッタ１１からベース１０に
注入されてコレクタ領域１６を流れる多数キャリアとし
ての電子は、向かって左側にローレンツ力を受けて偏向
する。

【０００６】この結果、左側の埋込コレクタ２に到達す
る電子の量が右側の埋込コレクタ３に到達する電子の量
よりも多くなる。このように、このコレクタ分離トラン
ジスタ型磁気センサは、２個の埋込コレクタ２、３に到
達するキャリアの数の差、つまりコレクタ電流の差動出
力によって、磁場の強さを検出している。

【０００７】このようなコレクタ分離トランジスタ型磁
気センサを元に、Ｓｉ（シリコン）を使用して三次元ベ
クトル磁気センサも試作されている。例えば、「集積化
三次元磁気センサ」，電学論Ｃ，109,483（平元−７）
参照。また、コレクタ分離トランジスタ型磁気センサと
同様なものとして、ドレーン分離ＣＭＯＳ−ＦＥＴ型磁
気センサも知られている。例えば、R.S.Popovic & H.P.
Baltes,IEEE J,Solid-State Circuits,SC-18,426(1983)
参照。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来のトランジスタ型磁気センサは、コレクタ分離トラン
ジスタのベース１０が共通となっており、トランジスタ
本来の増幅作用を有効に利用したものではなかった。す
なわち、基本原理がエミッタ注入変調ではなく、コレク
タ領域１６でのキャリアの偏向であるとすると、ローレ
ンツ力によって偏向したキャリアが、トランジスタのベ
ースに対して有効な作用をすることがなく、トランジス
タの増幅作用をほとんど利用していないことになる。こ
れらの理由から、従来のコレクタ分離トランジスタ型磁
気センサは、磁場検出感度が低かった。

【０００９】このように磁場検出感度が低いために、増
幅部分が別に必要となり、特にＳｉやＧａＡｓ（ガリウ
ム砒素化合物）以外の半導体材料では、増幅器等をモノ
リシックに構成することが難しいという理由から、セン
サシステム全体の小型化の大きな制約要因となってい
た。

【００１０】また、上記したコレクタ分離トランジスタ
型磁気センサは、キャリアが偏向すると、その偏向を妨
げようとする方向にホール電圧が発生し、そのホール電
圧による電界によって、キャリアの偏向が小さくなって
しまうという別の問題もあった。この現象は、一般的な
ホール素子の内部でも起こっていることであり、ホール
素子ではホール電圧によって磁場を検出するので問題と
はならないが、キャリアの偏向を原理とする素子につい
は本質的な問題である。

【００１１】このような理由のため、上記した従来のコ
レクタ分離トランジスタ型磁気センサは、それぞれの埋
込コレクタ２、３に到達するキャリアの数の差が、期待
するほど大きくならなかった。

【００１２】更に、上記した従来のコレクタ分離トラン
ジスタ型磁気センサは、基板１の厚み方向に流れるキャ
リアの偏向を利用しているため、エピタキシャル層１４
の厚みをあまり薄くすることができなった。このため、
厚いエピタキシャル層１４が必要であり、コストが高く
なっていた。

【００１３】更に、上記コレクタ分離トランジスタ型磁
気センサを、信号処理系を含めてモノリシック化が容易
なシリコンを用いて構成する場合は、他の半導体材料に
比べて集積化の点では有利であったが、ホール移動度が
小さいことに起因する磁気感応部分の検出感度の悪さが
問題となっていた。

【００１４】本発明の目的は、少数キャリアの偏向や増
幅作用を利用して、磁場検出感度が高く、エピタキシャ
ル層の厚みを薄くでき、更にホール電圧による電界の影
響も受けず、更にＳ／Ｎも向上したトランジスタ型磁気
センサを提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、第１
の導電型のコレクタ領域と、該コレクタ領域に形成した
第１の導電型と反対の第２の導電型のベースと、該ベー
ス内に形成した第１の導電型のエミッタと、上記コレク
タ領域に上記ベースから分離して形成した第２の導電型
の少数キャリア注入領域と、上記ベースと上記少数キャ
リア注入領域の間に上記ベースと同程度またはより深い
深さに達するよう形成した高抵抗乃至絶縁の分離領域と
からなるコレクタ注入トランジスタを具備し、上記ベー
スと上記少数キャリア注入領域の並ぶ方向に交差する方
向の磁束を検出するよう構成した。

【００１６】

【作用】本発明では、少数キャリア注入領域からコレク
タ領域に注入された少数キャリアが、磁場によって偏向
を受けて進行方向を曲げ、ベースに到達するとエミッタ
電流を増大させてそこで増幅作用が行われるので、磁場
検出感度が高い。コレクタ領域の少数キャリアは、厚み
方向と交差する方向に進むのでエピタキシャル層に大き
な厚みは必要ない。多数キャリアは少数キャリアと共に
磁場によって偏向して集まり、少数キャリアを引き寄せ
る力を出すので、従来と異なり逆に感度増大に寄与す
る。また、上記ベースと上記少数キャリア注入領域の間
に分離領域を設けているので、ローレンツ力に無関係に
ベースに到達する少数キャリアが減少し、磁場検出信号
にノイズ成分が少なくなり、Ｓ／Ｎが向上する。

【００１７】

【実施例】まず、本発明の原理を添付した図を参照して
説明する。図１はコレクタ注入トランジスタ型磁気セン
サの断面構造を示す図である。基板２０の上面に形成し
たベース２１、コレクタ取出領域２２、ベース２１の上
面に形成したエミッタ２３からなるトランジスタは通常
のバイポーラトランジスタである。２４はベース電極、
２５はエミッタ電極、２６はコレクタ電極である。

【００１８】ここでは、このようなトランジスタの基板
２０の他の上面に、少数キャリア注入領域２７を形成
し、そこに電極２８を形成している。そして、エミッタ
電極２５、ベース電極２４、コレクタ電極２６を通常の
トランジスタと同様にエミッタ・ベース間が順方向バイ
アス、ベース・コレクタ間が逆方向バイアスとなるよう
に電圧を印加し、少数キャリア注入電極２８とコレクタ
電極２６の間には順方向バイアスを印加する。

【００１９】製造に際しては、基板２０として１Ωｃｍ
のｎ型（又は真性導電型）基板を用い、表面を熱酸化し
て、公知のフォトリソグラフィ技術により、不純物拡散
用の窓を形成したマスクを設ける。次に、その窓から塗
布拡散法によって硼素を拡散して、Ｐ型の少数キャリア
注入領域２７とトランジスタのベース２１を設ける。そ
して、この後同様なフォトリソグラフィ技術によってマ
スクを作成し、砒素のイオン打ち込みと熱処理により、
高不純物濃度でｎ型のエミッタ２３とコレクタ取出領域
２２を設ける。次にスパッタリング法によってアルミニ
ウムを堆積し、電極２４〜２６、２８をエッチング形成
する。このように、一般的なトランジスタの製法と同様
の方法により公知のフォトリソグラフィ技術等によって
作成できる。

【００２０】このコレクタ注入トランジスタ型磁気セン
サでは、少数キャリア注入領域２７から少数キャリア
（ここではホール）が、コレクタ領域（基板２０）に注
入される。

【００２１】ここで、図１に示すように、磁束Ｂを紙面
の上面から裏方向に向かうように与えると、この磁束Ｂ
と直交する成分をもった方向に移動する少数キャリアに
ローレンツ力が働いて、その少数キャリアが偏向する。
そして、この偏向により曲がった方向にベース・コレク
タ接合が存在すると、少数キャリアはベース・コレクタ
空乏層２９を通ってベース２１に蓄積され、エミッタ２
３からベース２１へのキャリア注入を促進する。一方、
少数キャリアの曲った方向がベース・コレクタ接合と反
対方向（図１では下方向）の場合は、コレクタ領域（基
板２０）中で再結合して減少する。

【００２２】このように、このコレクタ注入トランジス
タ型磁気センサでは、ローレンツ力によってベース・コ
レクタ接合の空乏層２９に飛び込んだ僅かな少数キャリ
アが、大きなエミッタ電流を引き起こすという増幅作用
が行われる。

【００２３】図２はバンドダイアグラムを示す図であ
る。ここでは、説明の都合上から二次元空間の場合を示
している。ローレンツ力によるキャリアの偏向も示す必
要があるため、磁場Ｂの方向と電子のエネルギーｅＶの
方向の軸を平行に描き、且つそれらの軸に直角に２つの
空間軸Ａ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２を描いている。Ａ１−Ａ
２の空間軸は、図１のＡ１−Ａ２断面のバンドダイアグ
ラムであり、同様にＢ１−Ｂ２の空間軸は、図１のＢ１
−Ｂ２断面のバンドダイアグラムである。

【００２４】この図２を参照してより詳しく説明する
と、上記したベース・コレクタ接合の空乏層２９は、コ
レクタ領域（基板２０）を接合面に平行に流れる多数キ
ャリアと少数キャリアのいずれもが、ローレンツ力によ
ってベース・コレクタ接合側に曲げられたときに、多数
キャリアに対してはエネルギー障壁となり、少数キャリ
アに対してはエネルギードロップとなって、少数キャリ
アだけが選択されてベース２１に導かれる。

【００２５】この空乏層２９は、少数キャリアを留まら
せることなく吸い取り、多数キャリアをコレクタ側の空
乏層の端に留まらせることができるので、単なるホール
素子の場合よりも少数キャリアを大きく曲げるように働
く。

【００２６】コレクタ領域（基板２０）でローレンツ力
によってベース２１側に曲げられてベース・コレクタ接
合の空乏層２９で選択された少数キャリアは、ベース２
１に蓄積し、これによりエミッタ・ベース間を順方向バ
イアスして、エミッタ電流を増加させるように働く。

【００２７】各部のこのような働きによって、磁場中で
のローレンツ力によって偏向した電流を直接増幅して、
非常に簡単な構造ながらも、大きな磁場検出感度を得る
ことができるのである。

【００２８】なお、この磁気センサの基板には、ホール
移動度の大きい半導体が好ましいが、ＰＮ接合の形成が
可能でなければならず、信号処理もモノリシックに形成
できる半導体が好ましい。例えば、ＩｎＳｂは磁場検出
感度が非常に高いが、現在のところ集積化が困難なので
ＧａＡｓやＳｉを利用することが好ましい。

【００２９】また、少数キャリア注入領域２７は、ベー
ス２１までの距離が少数キャリアの拡散長範囲内又は同
程度の距離とし、少数キャリアがその寿命内にベース・
コレクタ接合面と平行に拡散して、ローレンツ力により
ベース２１側に曲げられることが可能なようにする。

【００３０】また、コレクタ領域（基板２０）の不純物
濃度は、少数キャリアの寿命を長くするために薄い方が
良く、抵抗値は例えば１Ωｃｍ程度とする。

【００３１】また、エミッタ２３および少数キャリア注
入領域２７に接続する電源は、電流制限のある電源が好
ましく、図１に示すように、定電流源３０によって駆動
するとよい。

【００３２】また、高速に変化する磁場にさらに良く応
答するため、トランジスタをオフするときは、ベース・
エミッタ間に逆電圧を印加するか、あるいはベース・エ
ミッタ間をスイッチ３１で短絡するなどして、ベース２
１に蓄積したキャリアを引き抜くのが良い。

【００３３】図３は本発明の第１の実施例のコレクタ注
入トランジスタ型磁気センサの断面を示す図である。本
実施例では、半導体基板３２の上面に形成したエピタキ
シャル層３３内にベース２１、コレクタ取出領域２２、
少数キャリア注入領域２７を形成し、ベース２１内にエ
ミッタ２３を形成して、更に、少数キャリア注入領域２
７とベース２１との間に、電気抵抗の大きな分離領域３
４を酸化膜で、ベース２１と同程度またはそれ以上の深
さに形成している。３５はアイソレーション領域、３６
はこのアイソレーション領域３５に逆バイアス電圧を印
加するための電極である。

【００３４】製造にあたっては、抵抗率が２５Ωｃｍの
ｐ型のシリコン基板３２を用いて、その上面に抵抗率が
１Ωｃｍのエピタキシャル層３３を形成する。次に表面
を熱酸化し更に窒化膜をＣＶＤ法により堆積する。そし
て、アイソレーション領域３５と選択酸化領域となるべ
き部分（分離領域３４）の上の窒化膜をドライエッチン
グにより除去して窓を形成する。その後、レジストを回
転塗布して、選択酸化領域となるべき部分（分離傾域３
４）をマスクして、アイソレーション領域３５を硼素の
イオン打ち込み法によって設ける。次にレジストを除去
して引き延ばし拡散を行う。このとき、引き延ばし拡散
を行うと同時に、イオン打ち込みのマスクとして用いた
窒化膜を利用して選択酸化を行い、電気抵抗の大きな分
離領域３４を形成する。次に、図１に示したのと同様
に、ベース２１と少数キャリア注入領域２７、コレクタ
取出領域２２とエミッタ２３を形成し、更にアルミニウ
ムにより各電極２４〜２６、２８、３６を形成する。

【００３５】この実施例では、選択酸化で形成した分離
領域３４が、少数キャリア注入領域２７の側面とトラン
ジスタのベース２１の側面に挟まれるコレクタ領域を電
気的に絶縁するので、ローレンツ力に無関係にベース２
１に到達する少数キャリアが大幅に減少する。この結
果、磁場検出信号にノイズ成分が少なくなり、Ｓ／Ｎが
大幅に向上する。

【００３６】図４は図３の選択酸化で形成した分離領域
３４を変形した第２の実施例の断面を示す図である。３
７は溝であり、その内壁に形成された酸化膜３８内に、
ポリシリコン３９を埋め込んだものである。

【００３７】製造にあたっては、エピタキシャル層３３
に塗布拡散法によってアイソレーション領域３５を形成
して、その後に図１で示した場合と同様に、ベース２１
と少数キャリア注入領域２７、エミッタ２３とコレクタ
取出領域２２を設ける。このとき、ベース２１と少数キ
ャリア注入領域２７は同一の拡散工程で一体的に形成す
る。次に、その一体化したベース領域２１と少数キャリ
ア注入領域２７の中間部分にトレンチ状に反応性イオン
エッチングにより深さがベース２１と同程度かまたはそ
れよりも深い溝３７を形成して、ベース２１と少数キャ
リア注入領域２７を電気的に分離する。次に、その溝の
表面から燐を打ち込み、薄い反転防止層４０を形成し
て、その後に溝の全壁面に熱酸化によりシリコン酸化膜
３８を形成する。次に、ＣＶＤ法によって、溝をポリシ
リコン３９で埋め込む。最後に、スパッタリング法によ
って、アルミニウムを堆積し各電極２４〜２６、２８、
３６を形成することにより完成する。

【００３８】図５は図３で説明したコレクタ注入トラン
ジスタを２個設けた第３の実施例の断面を示すものであ
って、向い合う２つのコレクタ注入トランジスタの少数
キャリア注入領域をエミッタを挟んで反対側に設けて、
少数キャリアを反対方向に流し、向い合う２つのコレク
タ注入トランジスタを磁場の方向によって差動動作させ
るようにしたものである。この実施例のコレクタ注入ト
ランジスタ型磁気センサの製造方法は、図３で説明した
ものと同じである。なお、右側のコレクタ注入トランジ
スタを構成する要素の符号として、左側の同トランジス
タの素子と同一のものには同一の符号に「 ’」を付し
て表した。

【００３９】図６はこの図５に示す差動型のコレクタ注
入トランジスタを組み込んだ駆動回路を示す図ある。Ｑ
１がベース２１、コレクタ（エピタキシャル層３３）、
エミッタ２３からなるトランジスタ、Ｑ２がベース２
１’、コレクタ（エピタキシャル層３３’）、エミッタ
２３’からなるトランジスタである。Ｑ３とＱ４は少数
キャリア注入領域２７、２７’、コレクタ、ベース２
１、２１’がそれぞれエミッタ、ベース、コレクタとな
る寄生のＰＮＰトランジスタである。トランジスタＱ
１、Ｑ２のコレクタに流入する電流は、トランジスタＱ
５、Ｑ６からなるカレントミラー回路により、比率が一
定となっている。各トランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタ
電流は電流源４１、４２により電流制限している。この
定電流源４１、４２の電流値は、２つのコレクタ注入ト
ランジスタ４３、４４のエミッタ電流が等しくなるよう
に、同一の値とする。少数キャリア注入領域２７、２
７’は、定電流源４５から電流を供給し、少数キャリア
の注入量を制限する。また、その定電流源４５はその注
入量が２つのコレクタ注入トランジスタ４３、４４で等
しくなるように、１つとする。この定電流源４５の電流
値の目安は、エミッタに接続される定電流源４１、４２
の電流の大きさを、トランジスタＱ１、又はＱ２の電流
増幅率で除した値程度とする。

【００４０】このように、少数キャリア注入領域２７、
２７’とエミッタ２３、２３’に電流源４１、４２、４
５を接続して電流の大きさを制限することによって、ラ
ッチアップの危険性を回避することができ、大きな増幅
率で安定動作を行わせることができる。

【００４１】この図５、図６で説明したコレクタ注入ト
ランジスタ型磁気センサは、寄生トランジスタ回路図か
ら考えると、寄生ＰＮＰトランジスタのベースでの少数
キャリアの偏向と解釈することもできる。また同様に、
サイリスタのＮベースでの偏向と解釈することもでき
る。

【００４２】以上説明した実施例は、ＮＰＮトランジス
タを主として説明したが、ＰＮＰトランジスタの場合も
全く同様に構成できることはもちろんである。

【００４３】

【発明の効果】以上から本発明のコレクタ注入トランジ
スタ型磁気センサによれば、次のような利点がある。

【００４４】（１）．磁場を感知してローレンツ力によ
り曲った少数キャリアが実質的にトランジスタのベース
電流となるので、増幅作用があり、高感度の磁気センサ
を実現できる。このため、必ずしも増幅器を必要とせ
ず、センサシステム全体の小型化に大きく貢献し、複数
個をアレイ状に並べた場合の磁場分布の空間分解能も非
常に細かくすることが可能となる。

【００４５】（２）．基板に平行に流れる少数キャリア
の偏向を利用するため、エピタキシャル層は薄くて済
み、あるいはむしろ薄い方が良く、経済的であり、素子
の微細化に非常に好適である。例えば、ＳＯＩ上に製作
する場合を考えると、非常に相性がよく、放射線の多い
宇宙空間での高感度の磁気センサとして利用できる。

【００４６】（３）．多数キャリアが少数キャリアと同
一側のコレクタのベース・コレクタ接合側にローレンツ
力によって引き寄せられるため、その多数キャリアの濃
度が大きくなり、少数キャリア注入領域から注入された
少数キャリアがローレンツ力に加えてこの多数キャリア
によっても引き寄せられる。この結果、より一層少数キ
ャリアの偏向が促進され感度増大に寄与する。つまり、
従来のような多数キャリアの偏向を利用することによっ
て生じるホール電圧の電界による偏向の抑制はなくな
る。

【００４７】（４）．ベース・エミッタ間の空乏層電界
を更にアバランシェ増幅効果が起こる程度に大きくして
おけば、アバランシェ増幅効果によって磁場検出感度が
増大するようになる。

【００４８】（５）．シリコン基板を用いて、通常のト
ランジスタを構成するのと全く同等の技術で実現が可能
であり、トランジスタと同程度の大きさで磁気感応部と
増幅部を実現できるので、シリコンが他の半導体と比べ
て優位となっている集積化の技術を生かし、非常に分解
能の高い磁気センサマトクリス等の高機能な磁気センサ
を実現できる。

【００４９】（６）．ベースと少数キャリア注入領域の
間に分離領域を設けているので、ローレンツ力に無関係
にベースに到達する少数キャリアが減少し、磁場検出信
号にノイズ成分が少なくなり、Ｓ／Ｎが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理のコレクタ注入トランジスタ型
磁気センサの断面図である。

【図２】 図１においてＡ１−Ａ２断面、Ｂ１−Ｂ２断
面における動作状態を示すバンドダイアグラムである。

【図３】 本発明の第１の実施例のコレクタ注入トラン
ジスタ型磁気センサの断面図である。

【図４】 第２の実施例のコレクタ注入トランジスタ型
磁気センサの断面図である。

【図５】 第３の実施例のコレクタ注入トランジスタ型
磁気センサの断面図である。

【図６】 図５に示した磁気センサを差動動作させるた
めの駆動回路の回路図である。

【図７】 従来のコレクタ分離トランジスタトランジス
タ型磁気センサの断面図である。

【符号の説明】

１：半導体基板、２、３：埋込コレクタ、４、５：コレ
クタ、６、７：コレクタ取出領域、８、９：コレクタ電
極、１０：ベース、１１：エミッタ、１２：ベース電
極、１３：エミッタ電極、１４：エピタキシャル層、１
５：アイソレーション領域、１６：コレクタ領域 ２０：半導体基板（コレクタ領域）、２１：ベース、２
２：コレクタ取出領域、２３：エミッタ、２４：ベース
電極、２５：エミッタ電極、２６：コレクタ電極、２
７：少数キャリア注入領域、２８：少数キャリア注入電
極、２９：空乏層、３０：定電流源、３１：スイッチ、
３２：半導体基板、３３：エピタキシャル層、３４：分
離領域、３５：アイソレーション領域、３６：電極、３
７：溝、３８：酸化膜、３９：ポリシリコン、４０：反
転防止層、４１、４２：定電流源、４３、４４：コレク
タ注入トランジスタ、４５：定電流源。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/82 H01L 43/00 - 43/08 G01R 33/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の導電型のコレクタ領域と、該コレク
   タ領域に形成した第１の導電型と反対の第２の導電型の
   ベースと、該ベース内に形成した第１の導電型のエミッ
   タと、上記コレクタ領域に上記ベースから分離して形成
   した第２の導電型の少数キャリア注入領域と、上記ベー
   スと上記少数キャリア注入領域の間に上記ベースと同程
   度またはより深い深さに達するよう形成した高抵抗乃至
   絶縁の分離領域とからなるコレクタ注入トランジスタを
   具備し、上記ベースと上記少数キャリア注入領域の並ぶ
   方向に交差する方向の磁束を検出することを特徴とする
   トランジスタ型磁気センサ。