JP4321246B2 - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板に溝が形成され、溝の斜面にホール素子である不純物拡散領域が形成されてなる磁気センサおよびその製造方法に関する。

半導体基板に溝が形成され、溝の斜面にホール素子である不純物拡散領域が形成されてなる磁気センサが、特開平４−３０２４０６号公報（特許文献１）に開示されている。

図１０（ａ），（ｂ）は、特許文献１に開示された磁気センサ９０の模式図で、図１０（ａ）は、磁気センサ９０の上視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

図１０（ａ），（ｂ）に示す磁気センサ９０は、２個のホール素子を有する磁気センサである。磁気センサ９０においては、｛１００｝面方位のｐ型のシリコン基板１に、平面の形状が略正方形で、深さ１００μｍ程度の深い溝１ｔが、ウェットエッチングにより形成されている。溝１ｔにおいて｛１１１｝面方位を有し対向する２つの斜面には、それぞれ、ホール素子であるｎ型の低濃度不純物拡散領域２ａ，２ｂが形成されている。また、ホール素子２ａ，２ｂに接続する電極配線として、ｎ型の高濃度不純物拡散領域４が形成されている。尚、図１０（ｂ）に示す符号３ｐはポリシリコン膜で、ホール素子である低濃度不純物拡散領域２ａ，２ｂをトランジスタとして用いる時のゲート電極である。図１０（ａ）では、簡単化のためポリシリコン膜３ｐの図示を省略しており、ゲート電極配線Ｇａ，Ｇｂのみを図示している。

対向する斜面にホール素子２ａ，２ｂが形成された磁気センサ９０では、図１０（ｂ）に示すように、Ａ−Ａ断面に平行な磁界Ｂ₀が印加されると、斜面に直角な方向の磁界成分Ｂ_a，Ｂ_bが各ホール素子２ａ，２ｂに印加される。バイアス電流Ｉ_a，Ｉ_bが流れる各ホール素子２ａ，２ｂでは、磁界成分Ｂ_a，Ｂ_bに比例する電圧（ホール電圧）が発生し、出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bとして検出される。これによって、例えば、Ａ−Ａ断面において回転する磁界Ｂ₀の回転角を、３６０°の範囲に渡って、出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bの異なる２つの位相から検出することができ、磁気センサ９０を回転角センサとして用いることができる。
特開平４−３０２４０６号公報

図１０（ａ），（ｂ）の磁気センサ９０を製造するためには、エッチングにより溝１ｔを形成する必要があるが、溝１ｔの深さが１００μｍ程度と非常に深いため、エッチングには長時間を要する。また、ホール素子である低濃度不純物拡散領域２ａ，２ｂや電極配線の高濃度不純物拡散領域４の形成には、レジストのパターニングが必要である。しかしながら、各拡散領域２ａ，２ｂ，４は、深い溝１ｔの斜面に渡って形成されるため、焦点範囲が大きい電子ビーム（ＥＢ，Electro Beam）リソグラフィ技術を用いる必要がある。さらに、焦点範囲が大きい電子ビームを用いても１回の露光では不十分で、焦点深さを変えて４段階に露光させる必要がある。このため、磁気センサ９０の製造は、スループットが悪く（数枚/時）、量産に向いていない。

また、上記の方法で製造される磁気センサ９０は、２つのホール素子２ａ，２ｂが、1回のレジストのパターニングで４回露光して形成する方法であるので、パターン精度が悪くなる。この場合、パターン精度が悪くなると、２つのホール素子２ａ，２ｂの間に発生するオフセット電圧を補正する電気回路が必要で、さらにパターン精度が悪くなると電気回路での補正も困難となる。

そこで本発明は、半導体基板に溝が形成され、溝の斜面にホール素子である不純物拡散領域が形成されてなる磁気センサであって、スループットが高くて量産に適した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している。

請求項１に記載の磁気センサは、半導体基板に平面の形状が略矩形で深さが５μｍ以下の溝が複数個形成され、前記溝の対向する２つの斜面が前記複数個の溝について同じ面方位となるように、各溝が配置され、前記複数個の溝の同じ面方位となる第１斜面に、第１ホール素子である第１不純物拡散領域が形成され、前記第１斜面に対向する第２斜面に、第２ホール素子である第２不純物拡散領域が形成され、前記複数個の溝に形成された、第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、それぞれ、電気接続されてなることを特徴としている。

これによれば、第１ホール素子である第１不純物拡散領域と第２ホール素子である第２不純物拡散領域が形成される前記複数個の溝の深さが５μｍ以下と浅いため、短時間のエッチングで、前記複数個の溝を形成することができる。また、第１ホール素子である第１不純物拡散領域と第２ホール素子である第２不純物拡散領域のパターニングに、通常の光露光による１回の露光で形成したレジストマスクを用いることができる。このため、電子ビーム露光による４回の露光でパターニングしていた従来の磁気センサに較べて、スループットが高くて量産に適する磁気センサとすることができる。さらに、各ホール素子の溝の傾斜角や不純物領域の大きさのばらつきが発生し難い磁気センサとすることができる。
当該磁気センサにおいては、対向する２つの面方位の斜面に関して、それぞれ第１，第２ホール素子が複数個の溝に分散して形成され、それら各第１，第２ホール素子の出力電圧（ホール電圧）が合成されて、全体の出力電圧となる。

請求項２に記載のように、前記第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士は、それぞれ、並列接続することができる。この場合には、対向する２つの面方位の斜面に関して、それぞれの溝に形成された第１ホール素子および第２ホール素子の各ホール素子における出力電圧が平均化されて、全体の出力電圧となる。従って、当該磁気センサにおいて、上記溝の傾斜角や不純物領域の大きさのばらつきに関する影響を緩和する効果が得られる。

また、請求項３に記載のように、前記第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士は、それぞれ、直列接続することもできる。この場合には、対向する２つの面方位の斜面に関して、それぞれの溝に形成された第１ホール素子および第２ホール素子の各ホール素子における出力電圧が足し合わされて、全体の出力電圧となる。従って、当該磁気センサにおいて、大きな出力電圧を得ることができる。

請求項４に記載の発明は、前記第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域の平面の形状が略矩形であり、前記略矩形の第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域のいずれか一方の辺が、前記略矩形の溝のいずれか一方の辺と平行になるようにして、前記第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域が、前記溝の斜面に配置されることを特徴としている。

これによれば、ホール素子の設計が容易になる。５μｍ以下の浅い溝に形成されたホール素子であっても、略矩形の不純物拡散領域の縦横比を適宜設定することで、不純物拡散領域の形状に依存する形状効果係数ｆ_Hを限りなく１に近づけることができ、各ホール素子の出力電圧を理論値Ｖ_H＝Ｒ_HＩ_iＢ／ｄに近づけることができる。

請求項５に記載の発明は、前記第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域が、ほぼ同じ大きさであることを特徴としている。

これによれば、複数個の溝に分散して形成されたそれぞれのホール素子の出力電圧が、ほぼ等しくなる。従って、個々のホール素子の出力電圧ばらつきを均一化し、溝の傾斜角や不純物領域の大きさのばらつきに関する影響を緩和する効果を最大限に発揮させ、当該磁気センサを高精度化することができる。また、同じ面方位を持つ第１ホール素子同士および第２ホール素子同士を接続して回転角センサを構成した場合、両者の出力電圧の振幅がほぼ等しくなり、回転磁界による位相差の検出精度が向上するため、高精度の回転角センサとすることができる。

請求項６に記載の発明は、前記複数個の溝が、ほぼ同じ大きさであり、等間隔に整列して配置されることを特徴としている。

これによれば、各溝を高密度に配置することができ、配線設計も容易になって、小型で高密度の磁気センサとすることができる。

請求項７に記載の発明は、前記等間隔に整列して配置される溝の両側に、前記溝とほぼ同じ大きさであり、前記溝と等間隔に整列して、ダミー溝が配置されることを特徴としている。

ダミー溝は、第１ホール素子である第１不純物拡散領域および第２ホール素子である第２不純物拡散領域が形成されていない溝、または、第１ホール素子もしくは第２ホール素子が形成されていても、それらが配線されていない溝である。当該ダミー溝を前記等間隔に整列して配置される溝の両側に配置することで、溝形成時のマイクロローディング効果による両端の溝における傾斜角の不均一の発生に起因して、異なった出力が発生することを排除することができる。従って、磁気センサとして動作する構成要素の溝の不均一形状が発生し難く、また、傾斜角のずれがあってもその影響が小さいため、オフセット電圧を低減できる磁気センサとすることができる。

また、ダミー溝を形成することで、保護膜等の異なる材料を成膜した時に、半導体基板に圧縮応力や引っ張り応力が発生しても、その応力がダミー溝により緩和される。このため、磁気センサの構成要素の溝への応力の影響が抑制され、そこに形成されるホール素子の変形による抵抗値変動（ピエゾ効果）が抑制される。ダミー溝の個数や深さを適宜設定することで、半導体基板に発生する応力に対して、所望の緩和効果を得ることができ、オフセット電圧を低減できる磁気センサとすることができる。

請求項８に記載の発明は、上記磁気センサの製造方法に関する発明で、半導体基板に平面の形状が略矩形で深さが５μｍ以下の溝が複数個形成され、前記溝の対向する２つの斜面が前記複数個の溝について同じ面方位となるように、各溝が配置され、前記複数個の溝の同じ面方位となる第１斜面に、第１ホール素子である第１不純物拡散領域が形成され、前記第１斜面に対向する第２斜面に、第２ホール素子である第２不純物拡散領域が形成され、前記複数個の溝に形成された、第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、それぞれ、電気接続されてなる磁気センサの製造方法であって、前記第１不純物拡散と第２不純物拡散領域のパターニングに、光露光によるレジストマスクが用いられることを特徴としている。

これによって、前述したように、従来の電子ビーム露光による４回の露光でパターニングしていた磁気センサの製造方法に較べて、スループットが高くて量産に適する磁気センサの製造方法となる。従って、当該製造方法により、高精度な磁気センサを安価に製造することができる。

請求項９に記載の発明は、前記溝を、ドライエッチングにより形成することを特徴としている。これによれば、任意の面方位の斜面を持つ溝を、精度良く安価に形成することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）に、本発明の磁気センサ１００を模式的に示す。図１（ａ）は、磁気センサ１００の全体構成を示す断面図である。図１（ｂ），（ｃ）は、図１（ａ）において一点差線で囲った磁気センサ１００の１つの構成要素１００ｎを示す図で、図１（ｂ）は構成要素１００ｎの上視図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）における一点差線Ｂ−Ｂの断面図である。

磁気センサ１００では、図１（ａ）に示すように、ｐ型のシリコン（Ｓｉ）半導体基板１に、ほぼ同じ大きさで平面の形状が略矩形の溝１０ｔが、複数個形成されている。溝１０ｔの深さは、５μｍ以下である。このように溝１０ｔが浅く設定されているため、後述するように、短時間のドライエッチングで、任意の面方位の斜面を持つ溝１０ｔを、精度良く安価に形成することができる。図１（ａ）に示す磁気センサ１００においては、溝１０ｔは、対向する２つの斜面１０ａ，１０ｂが全ての溝１０ｔについて同じ面方位となるように、等間隔に整列して配置されている。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、磁気センサ１００の１つの構成要素１００ｎには、
同じ面方位となる一方の第１斜面１０ａに、第１ホール素子であるｎ型の低濃度第１不純物拡散領域２０ａが形成され、第１斜面１０ａに対向する第２斜面１０ｂに、第２ホール素子であるｎ型の低濃度第２不純物拡散領域２０ｂが形成されている。

図１（ｂ）に示すように、第１不純物拡散領域２０ａと第２不純物拡散領域２０ｂは、平面の形状が略矩形であり、ほぼ同じ大きさである。第１不純物拡散領域２０ａと第２不純物拡散領域２０ｂは、略矩形の第１不純物拡散領域２０ａと第２不純物拡散領域２０ｂの一方の辺が、略矩形の溝１０ｔにおける一方の辺と平行になるようにして、溝１０ｔの斜面１０ａ，１０ｂに配置されている。これにより、ホール素子である第１不純物拡散領域２０ａと第２不純物拡散領域２０ｂの設計が容易になる。

また、ホール素子である各不純物拡散領域２０ａ，２０ｂには、電極配線であるｎ型の高濃度不純物拡散領域４０が所定の配置で接続しており、略矩形の第１不純物拡散領域２０ａと第２不純物拡散領域２０ｂにおける一方の対向する辺の間で、入力電流Ｉ_na，Ｉ_nbが流れる。また、入力電流Ｉ_na，Ｉ_nbに垂直な略矩形の第１不純物拡散領域２０ａと第２不純物拡散領域２０ｂにおけるもう一方の対向する辺の間で、出力電圧（ホール電圧）Ｖ_na，Ｖ_nbが取り出される。

図１（ａ）〜（ｃ）に示す磁気センサ１００においては、溝１０ｔの深さが５μｍ以下で浅く設定されている。このため後述するように、ホール素子である各不純物拡散領域２０ａ，２０ｂや電極配線である不純物拡散領域４０のパターニングに、通常の光露光による１回の露光で形成したレジストマスクを用いることができる。従って、電子ビーム露光による４回の露光でパターニングしていた従来の図１０（ａ），（ｂ）に示す磁気センサ９０に較べて、スループットが高くて量産に適する磁気センサとすることができる。

図２は、ホール素子の動作原理を示す図である。図１（ａ）〜（ｃ）に示す各ホール素子２０ａ，２０ｂは、図２の（１）式もしくは（２）式に従って動作する。

ホール効果は、磁束Ｂに直交して導電体（ホール素子２０）にキャリアが流れると、磁束Ｂおよびキャリアの流れの両方に直角な方向に、起電力（ホール電圧）が発生する現象である。図２に示すように、ホール素子２０におけるキャリアの流れ方向の長さをＬ、キャリアの流れに垂直な方向の幅をＷ、厚さをｄとし、ホール素子２０に直交する磁束Ｂを印加した時に、出力端子Ｔ_out間に発生する出力電圧（ホール電圧）をＶ_Hとする。

ホール素子２０を定電流駆動とし、入力端子Ｔ_in間に一定の入力電流Ｉ_iを流すと、図中の（１）式が成り立つ。（１）式におけるＲ_hはホール係数で、ホール素子２０の材料により定まる値である。ｆ_Hは、形状効果係数である。長方形の半導体片の端部に金属電極を取り付けたホール素子の場合には、電流電極が内部に発生するホール起電力を一部短絡する作用を示すために、半導体片の中央の両面側に取り付けたホール電極間に現れる実際のホール電圧は、理論値Ｖ_H＝Ｒ_HＩ_iＢ／ｄで与えられる理論値より若干小さくなる。ｆ_Hは、それを補正するための係数で、常に１より小さいが、Ｌ／Ｗが大きいほど、またホール素子と磁束がおりなす角度（ホール角）が大きいほど１に近づく。従って、略矩形の不純物拡散領域の縦横比を適宜設定することで、不純物拡散領域の形状に依存する形状効果係数ｆ_Hを限りなく１に近づけることができ、５μｍ以下の浅い溝に形成されたホール素子であっても、各ホール素子の出力電圧を理論値Ｖ_H＝Ｒ_HＩ_iＢ／ｄに近づけることができる。

ホール素子２０を定電圧駆動とし、入力端子Ｔ_in間に一定の入力電圧Ｖ_iを印加すると、図中の（２）式が成り立つ。（２）式にあるμ_hは、ホール素子２０におけるキャリアの移動度である。（２）式からわかるように、ホール電圧Ｖ_Hは移動度μ_Hに比例するため、図１（ｂ），（ｃ）に示す各ホール素子２０ａ，２０ｂには、移動度の大きなｎ型の不純物拡散領域が用いられている。また（２）式より、出力電圧（ホール電圧）Ｖ_Hは、キャリアの流れに垂直な方向の幅Ｗに比例し、キャリアの流れ方向の長さＬに反比例する。従って、図１（ｂ）に示す略矩形の不純物拡散領域の縦横比を適宜設定することで、図１（ａ）の各溝１０ｔに形成される個々のホール素子は、５μｍ以下の浅い溝１０ｔに形成されるにもかかわらず、高い出力電圧を持つホール素子とすることができる。

図１（ａ）〜（ｃ）に示す磁気センサ１００では、半導体基板１に形成された全ての溝１０ｔについて、対向する２つの斜面１０ａ，１０ｂが同じ面方位となっており、ここに第１ホール素子２０ａと第２ホール素子２０ｂがそれぞれ配置されている。溝１０ｔの対向する斜面に、２個のホール素子２０ａ，２０ｂが配置された構成要素１００ｎを持つ磁気センサ１００は、回転磁界を検出する回転角センサに好適である。

磁気センサ１００の１つの構成要素１００ｎでは、図１（ｃ）に示すように、断面に平行な磁界Ｂ₀が印加されると、斜面に直角な方向の磁界成分Ｂ_a，Ｂ_bが、各ホール素子２０ａ，２０ｂに印加される。バイアス電流Ｉ_na，Ｉ_nbが流れる各ホール素子２０ａ，２０ｂでは、磁界成分Ｂ_a，Ｂ_bに比例する電圧が発生し、出力電圧Ｖ_na，Ｖ_nbとして検出される。断面において回転する磁界Ｂ₀があると、２個のホール素子２０ａ，２０ｂの出力電圧Ｖ_na，Ｖ_nbは、位相の異なる２つの正弦波となる。従って、磁界Ｂ₀の回転角を、３６０°の範囲に渡って、出力電圧Ｖ_na，Ｖ_nbの異なる２つの位相から検出することができ、磁気センサ１００の各構成要素１００ｎを、回転角センサとして用いることができる。

特に、図１（ｂ），（ｃ）に示す磁気センサ１００の構成要素１００ｎにおいては、溝１０ｔの対向する２つの斜面１０ａ，１０ｂに、それぞれほぼ同じ大きさの不純物拡散領域２０ａ，２０ｂが同じ面方位上に形成されている。これによって、２個のホール素子２０ａ，２０ｂはキャリアの移動度は同じであり、出力電圧Ｖ_na，Ｖ_nbも、振幅がほぼ等しく、位相の異なる２つの正弦波となる。このように、両者の出力電圧の振幅をほぼ等しくすることで、位相差の検出精度が向上するため、測定精度の高い回転角センサとすることができる。

図１（ａ）に示す磁気センサ１００では、同じ面方位の斜面にある第１ホール素子２０ａの出力同士および第２ホール素子２ｂの出力同士が、それぞれ、電気接続される。従って、図１（ａ）の磁気センサ１００では、対向する２つの面方位の斜面１０ａ，１０ｂに関して、それぞれホール素子２０ａ，２０ｂが複数個の溝１０ｔに分散して形成され、それら各ホール素子２０ａ，２０ｂの出力電圧（ホール電圧）Ｖ_na，Ｖ_nbが合成されて、全体の出力電圧となる。

図３は、同じ面方位の斜面にある第１ホール素子２０ａの出力同士および第２ホール素子２ｂの出力同士の電気接続について、その一例を示す図である。

図３に示す磁気センサ１０１においては、同じ面方位となる第１ホール素子２０ａの出力同士、および同じ面方位となる第２ホール素子２０ｂの出力同士が、それぞれ、並列接続されている。従って、この場合には、対向する２つの面方位の斜面１０ａ，１０ｂに関して、各溝１０ｔに形成された第１ホール素子２０ａおよび第２ホール素子２０ｂにおける出力電圧Ｖ_na，Ｖ_nbがそれぞれ平均化されて、全体の出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bとなる。この並列接続による平均化によって、図３の磁気センサ１０１では、上記したいずれかの溝１０ｔに形成されたホール素子２０ａ，２０ｂに溝の傾斜角や不純物領域の大きさのばらつきが発生した場合において、全体の出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bに対する溝の傾斜角や不純物領域の大きさのばらつきに関する影響を緩和する効果が得られる。

図４は、同じ面方位の斜面にある第１ホール素子２０ａの出力同士および第２ホール素子２ｂの出力同士の電気接続について、別の例を示す図である。

図４に示す磁気センサ１０２においては、同じ面方位となる第１ホール素子２０ａの出力同士、および同じ面方位となる第２ホール素子２０ｂの出力同士が、それぞれ、直列接続されている。従って、この場合には、対向する２つの面方位の斜面１０ａ，１０ｂに関して、各溝１０ｔに形成された第１ホール素子２０ａおよび第２ホール素子２０ｂにおける出力電圧Ｖ_na，Ｖ_nbが、図中の（３），（４）式に示すように、それぞれ足し合わされて、全体の出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bとなる。図４の磁気センサ１０２では、第１ホール素子２０ａおよび第２ホール素子２０ｂにおける各出力電圧Ｖ_na，Ｖ_nbが足し合わされるため、大きな全体の出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bを得ることができる。

図５は、同じ面方位の斜面にある第１ホール素子２０ａの出力同士および第２ホール素子２ｂの出力同士の電気接続について、さらに別の例を示す図である。

図５に示す磁気センサ１０３においては、同じ面方位となる第１ホール素子２０ａの出力同士、および同じ面方位となる第２ホール素子２０ｂの出力同士が、それぞれ、直列接続と並列接続が組み合わされて、電気接続されている。この場合には、対向する２つの面方位の斜面１０ａ，１０ｂに関して、各溝１０ｔに形成された第１ホール素子２０ａおよび第２ホール素子２０ｂにおける出力電圧Ｖ_mna，Ｖ_mnbが、図中の（５），（６）式に示すように、直列接続部分はそれぞれ足し合わされて、並列接続部分はそれぞれ平均化されて、全体の出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bとなる。この足し合わせと平均化によって、図５の磁気センサ１０３では、上記したいずれかの溝１０ｔに形成されたホール素子２０ａ，２０ｂに溝の傾斜角や不純物領域の大きさのばらつきが発生した場合において、全体の出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bに対する溝の傾斜角や不純物領域の大きさのばらつきに関する影響を緩和する効果が得られる。図５の磁気センサ１０３では、直列接続部分と並列接続部分の組み合わせを適宜設定することで、所望の全体の出力電圧Ｖ_a，Ｖ_bを得ることができる。

尚、図３〜５の磁気センサ１０１〜１０３において、バイアス電流経路である第１ホール素子２０ａの入力同士、および第２ホール素子２０ｂの入力同士についても、並列接続と直列接続が可能であり、適宜選択して用いられる。

図１（ａ）〜（ｃ）に示す磁気センサ１００では、半導体基板１に、平面の形状が略矩形の溝１０ｔが、対向する２つの斜面１０ａ，１０ｂが全ての溝１０ｔについて同じ面方位となるように、等間隔に整列して配置されていた。

図６（ａ），（ｂ）に、溝の配置が異なる別の磁気センサ１０４，１０５の例を示す。図６（ａ），（ｂ）は磁気センサ１０４，１０５の上視図で、溝および第１ホール素子と第２ホール素子の配置を模式的に示した図である。

図６（ａ）の磁気センサ１０４では、半導体基板１上に、３方向に配列した３つの一点差線で囲った磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕが形成されている。

磁気センサ１０４ｓでは、深さ５μｍ以下の溝１１ｔが複数個形成されており、図１（ａ）〜（ｃ）の磁気センサ１００と同様に、対向する２つの斜面が全ての溝１１ｔについて同じ面方位となるように、整列して配置されている。同じ面方位の斜面に形成される第１ホール素子２１ａの出力同士、第２ホール素子２１ｂの出力同士は、図３〜５で示したいずれかの接続方法により、互いに電気接続される。別の方向に配列した、溝１２ｔおよび第１ホール素子２２ａと第２ホール素子２２ｂからなる磁気センサ１０４ｔ、並びに溝１３ｔおよび第１ホール素子２３ａと第２ホール素子２３ｂからなる磁気センサ１０４ｕについても同様である。

シリコン半導体基板１では、磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕの配列方向によって、ピエゾ抵抗率やキャリアの移動度が異なる。一方向に配列した磁気センサだけでは、半導体基板１に引っ張り応力や圧縮応力が発生した場合、すべてのホール素子が同じように応力の影響を受け、ホール素子の抵抗値がピエゾ効果により変動して、出力電圧のオフセットが大きくなる。一方、図６（ａ）に示す磁気センサ１０４のように、半導体基板１上に異なる方向に配列した複数の磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕを形成することで、半導体基板１の特定方向に応力が発生して、いずれかの磁気センサにおけるホール素子の抵抗値が変動しても、別の方向に配列した磁気センサではその影響が低減される。また、これら各磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕの出力電圧を組み合わせて比較演算することにより、半導体基板１に応力が発生しても、その影響を補正して出力させることもできる。このようにして、異なる方向に配列した磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕが形成された図６（ａ）の磁気センサ１０４は、高い測定精度を有する磁気センサとすることができる。

尚、それぞれの磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕにおいて、各溝１１ｔ，１２ｔ，１３ｔは、ほぼ同じ大きさで、等間隔に整列して配置されている。これによって、それぞれの磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕにおいて、各溝１１ｔ，１２ｔ，１３ｔが高密度に配置され、配線設計も容易になって、小型で高密度の磁気センサ１０４とすることができる。このように、それぞれの磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕにおいて、各溝は、ほぼ同じ大きさで等間隔に整列して配置されることが好ましいが、これに限らず、対向する２つの斜面が全て同じ面方位となるように配置されていれば、大きさや間隔が異なって配置されていてもよい。

図６（ｂ）の磁気センサ１０５では、半導体基板１上に、２方向に配列した２つの磁気センサ１０５ｓ，１０５ｔが形成されている。

一点差線で囲った磁気センサ１０５ｓでは、深さ５μｍ以下の溝１４ｔが複数個形成されている。磁気センサ１０５ｓでは、溝１４ｔは、図６（ａ）の磁気センサ１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕのように整列していないが、対向する２つの斜面が全ての溝１４ｔについて同じ面方位となるように配置されている。同じ面方位の斜面に形成される第１ホール素子２４ａの出力同士、第２ホール素子２４ｂの出力同士は、図３〜５で示したいずれかの接続方法により、互いに電気接続される。一点差線で囲った外側の、別の方向に配列した、溝１５ｔおよび第１ホール素子２５ａと第２ホール素子２５ｂからなる磁気センサ１０５ｔについても同様である。

図６（ｂ）に示す磁気センサ１０５についても、半導体基板１上に異なる方向に配列した複数の磁気センサ１０５ｓ，１０５ｔが形成されており、半導体基板１の特定方向に応力が発生して、いずれかの磁気センサにおけるホール素子の抵抗値が変動しても、別の方向に配列した磁気センサではその影響が低減される。また、これら各磁気センサ１０５ｓ，１０５ｔの出力電圧を組み合わせて比較演算することにより、半導体基板１に応力が発生しても、その影響を補正して出力させることもできる。従って、異なる方向に配列した磁気センサ１０５ｓ，１０５ｔが形成された図６（ｂ）の磁気センサ１０５は、高い測定精度を有する磁気センサとすることができる。このように、各磁気センサ１０５ｓ，１０５ｔにおいて溝１４ｔ，１５ｔが整列していなくても、対向する２つの斜面が全ての溝１４ｔ，１５ｔについて同じ面方位となるように配置されていれば、上記と同様の効果を得ることができる。

次に、図１（ａ）に示す磁気センサ１００の製造方法を説明する。

図７（ａ）〜（ｄ）および図８（ａ），（ｂ）は、磁気センサ１００の製造方法を示す工程別断面図である。

最初に、図７（ａ）に示すように、ｐ型Ｓｉ基板１を準備する。Ｓｉ基板１の面方位は、｛１００｝、｛１１０｝、｛１１１｝のいずれであってもよい。

次に、図７（ｂ）に示すように、対向する斜面１０ａ，１０ｂを持つ、深さ５μｍ以下の溝１０ｔを形成する。

溝１０ｔの形成は、次のようにしておこなう。エッチングマスクとなるレジスト１０ｒをＳｉ基板１の表面に塗布し、ホトリソグラフィによりパターンニングして、溝１０ｔを形成する領域以外にレジストを残す。その後、ドライエッチングでＳｉ基板１をエッチングし、深さが５μｍ以下の溝を形成する。ドライエッチングによる制御性を考慮すると、溝１０ｔの深さは０．２〜２μｍの範囲が好ましい。ドライエッチングの後、溝１０ｔ表面の損傷層を除去するため、ＣＤＥ（Chemical Dry Etching）処理を行い、溝１０ｔの表面を平滑化する。その後、レジスト１０ｒを剥離する。尚、溝１０ｔの形成は、ドライエッチングに限らず、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液等を使った、ウェットエッチングにより形成してもよい。この場合は、Ｓｉ基板１の表面に窒化膜（ＳｉＮ）等を堆積した後に、レジスト１０ｒを窒化膜表面に塗布し、ホトリソグラフィによりパターンニングして、溝１０ｔを形成する領域以外に窒化膜を残して、ウェットエッチングを行う。

次に、図７（ｃ）に示すように、酸化処理を行い、Ｓｉ基板１の表面全体に酸化膜１０ｓを形成する。

次に、図７（ｄ）に示すように、溝１０ｔの斜面１０ａ，１０ｂに、ホール素子となるｎ型の低濃度第１不純物拡散領域２０ａとｎ型の低濃度第２不純物拡散領域２０ｂを形成する。

不純物拡散領域２０ａ，２０ｂの形成は、次のようにしておこなう。最初に、レジストを塗布した後、半導体装置の製造で一般的に用いられるステッパ露光機を用いて、光露光によりパターンニングし、レジストマスク２０ｒを形成する。次に、リン（Ｐ）等のｎ型の不純物をイオン注入して、不純物拡散領域２０ａ，２０ｂを形成する。その後、レジストマスク２０ｒを剥離する。

次に、図８（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１の上表面から溝１０ｔの底面に渡って、ホール素子の電極配線となるｎ型の高濃度不純物拡散領域４０を形成する。

不純物拡散領域４０の形成は、上記不純物拡散領域２０ａ，２０ｂの形成と同様に、次のようにしておこなう。最初に、レジストを塗布した後で光露光によりパターンニングし、レジストマスク４０ｒを形成する。次に、リン（Ｐ）等のｎ型の不純物を高濃度にイオン注入して、不純物拡散領域４０を形成する。その後、レジストマスク４０ｒを剥離する。

次に、図８（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１の全面に絶縁膜５０を堆積し、溝１０ｔを保護する。最後に、絶縁膜５０にコンタクトホールを形成し、高濃度不純物拡散領域４０にコンタクトするアルミニウム（Ａｌ）等の金属配線６０を形成する。

以上で、図１（ａ）に示す磁気センサ１００が完成する。

上記の製造工程においては、溝１０ｔの深さが５μｍ以下と浅く設定されているため、図７（ｂ）で示したように、溝１０ｔの形成にドライエッチングを用いることができる。これによって、任意の面方位の斜面を持つ溝１０ｔを、精度良く形成することができる。また、溝１０ｔが浅いため、従来の磁気センサ９０における図１０（ａ），（ｂ）の１００μｍ程度の深い溝１ｔ形成に較べて、エッチング時間を大幅に短縮することができる。

さらに、図７（ｄ）に示す不純物拡散領域２０ａ，２０ｂのパターニングと図８（ａ）に示す不純物拡散領域４０のパターニングに、光露光によるレジストマスク２０ｒ，４０ｒが用いられている。これによって、従来の電子ビーム露光による４回の露光でパターニングしていた図１０（ａ），（ｂ）の磁気センサ９０の製造方法に較べて、スループットが高くて量産に適する磁気センサの製造方法となる。従って、上記製造方法により、高精度な磁気センサ１００を安価に製造することができる。

尚、上記製造工程においては、溝１０ｔがほぼ同じ大きさで等間隔に整列して配置されるため、両端の溝において、パターン密度の局所的な差異によりエッチング速度や形状が変化してしまうマイクロローディング効果が発生し易い。

上記問題を解決するためには、ほぼ同じ大きさで等間隔に整列して配置される溝の両側に、ダミー溝を配置することが好ましい。

図９（ａ）〜（ｃ）に、ダミー溝が配置された磁気センサの一例を示す。

図９（ａ）は、ダミー溝が配置された磁気センサ１０６の模式的な上視図である。磁気センサ１０６では、ほぼ同じ大きさで等間隔に整列して配置される溝１０ｔの両側に、太線で示したダミー溝１０ｄが配置されている。

中央部の磁気センサ１０６の構成要素１０６ｎにおいては、溝１０ｔに、第１ホール素子である第１不純物拡散領域２０ａおよび第２ホール素子である第２不純物拡散領域２０ｂが形成され、それらが電気接続されている。

両端のダミー溝１０ｄは、第１不純物拡散領域２０ａおよび第２不純物拡散領域２０ｂが形成されていない溝、または、図９（ａ）に示すように、第１不純物拡散領域２０ａもしくは第２不純物拡散領域２０ｂが形成されていても、それらが配線されていない溝である。ダミー溝１０ｄを等間隔に整列して配置される溝１０ｔの両側に配置することで、マイクロローディング効果による両端の溝における傾斜角の不均一の発生に起因して、ホール素子２０ａ、２０ｂが異なった出力が発生することを排除することが出来る。従って、磁気センサとして動作する構成要素の溝の不均一形状が発生し難く、また、傾斜角のずれがあってもその影響が小さいため、オフセット電圧を低減できる磁気センサとすることが出来る。
尚、両端に配置するダミー溝の個数は、一個に限らず任意に設定することができ、また、磁気センサ１０６の構成要素１０６ｎの全てを囲うように配置してもよい。

また、図９（ｂ），（ｃ）の断面図に示すように、ダミー溝１０ｄを形成することで、保護膜等の異なる材料を成膜した時に、半導体基板１に圧縮応力や引っ張り応力が発生しても、その応力がダミー溝１０ｄにより緩和される。このため、磁気センサ１０６の構成要素１０６ｎの溝１０ｔへの応力の影響が抑制され、そこに形成されるホール素子２０a，２０ｂの変形による抵抗値変動（ピエゾ効果）が抑制される。ダミー溝１０ｄの個数や深さを適宜設定することで、半導体基板１に発生する応力に対して、所望の緩和効果を得ることができる。

以上、図１〜９に示した磁気センサ１００〜１０６およびその製造方法は、半導体基板１に溝１０ｔが形成され、溝１０ｔの斜面１０ａ，１０ｂにホール素子である不純物拡散領域２０ａ，２０ｂが形成されてなる磁気センサであって、スループットが高くて量産に適した磁気センサおよびその製造方法となっている。

本発明の磁気センサを模式的に示す図で、（ａ）は磁気センサの全体構成を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）において一点差線で囲った磁気センサの１つの構成要素の上視図であり、（ｃ）は（ｂ）における一点差線Ｂ−Ｂの断面図である。 ホール素子の動作原理を示す図である。 第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、並列接続される例である。 第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、直列接続される例である。 第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、並列接続と直列接続が組み合わされて接続される例である。 （ａ），（ｂ）は、溝の配置が異なる別の磁気センサの例で、溝および第１ホール素子と第２ホール素子の配置を模式的に示した上視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１（ａ）に示す磁気センサの製造方法を示す、工程別断面図である。 （ａ），（ｂ）は、図１（ａ）に示す磁気センサの製造方法を示す、工程別断面図である。 ダミー溝が配置された磁気センサの一例を示す図で、（ａ）は磁気センサの模式的な上視図あり、（ｂ），（ｃ）は、半導体基板に圧縮応力と引っ張り応力が発生した時の状態を示す断面図である。 従来の磁気センサの模式図で、（ａ）は上視図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１００〜１０６，１０４ｓ，１０４ｔ，１０４ｕ，１０５ｓ，１０５ｔ 磁気センサ
１００ｎ，１０１ｎ，１０２ｎ，１０３ｍｎ，１０６ｎ 磁気センサの構成要素
１ 半導体基板
１０ｔ 溝
１０ａ 第１斜面
１０ｂ 第２斜面
１０ｄ ダミー溝
２０ａ 低濃度第１不純物拡散領域（第１ホール素子）
２０ｂ 低濃度第２不純物拡散領域（第２ホール素子）
４０ 高濃度不純物拡散領域（電極配線）

Claims (9)

1. 半導体基板に平面の形状が略矩形で深さが５μｍ以下の溝が複数個形成され、
   前記溝の対向する２つの斜面が前記複数個の溝について同じ面方位となるように、各溝が配置され、
   前記複数個の溝の同じ面方位となる第１斜面に、第１ホール素子である第１不純物拡散領域が形成され、
   前記第１斜面に対向する第２斜面に、第２ホール素子である第２不純物拡散領域が形成され、
   前記複数個の溝に形成された、第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、それぞれ、電気接続されてなることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、それぞれ、並列接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、それぞれ、直列接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
4. 前記第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域の平面の形状が略矩形であり、
   前記略矩形の第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域のいずれか一方の辺が、前記略矩形の溝のいずれか一方の辺と平行になるようにして、
   前記第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域が、前記溝の斜面に配置され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。
5. 前記第１不純物拡散領域と第２不純物拡散領域が、ほぼ同じ大きさであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気センサ。
6. 前記複数個の溝が、ほぼ同じ大きさであり、等間隔に整列して配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 前記等間隔に整列して配置される溝の両側に、前記溝とほぼ同じ大きさであり、前記溝と等間隔に整列して、ダミー溝が配置されることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ。
8. 半導体基板に平面の形状が略矩形で深さが５μｍ以下の溝が複数個形成され、
   前記溝の対向する２つの斜面が前記複数個の溝について同じ面方位となるように、各溝が配置され、
   前記複数個の溝の同じ面方位となる第１斜面に、第１ホール素子である第１不純物拡散領域が形成され、
   前記第１斜面に対向する第２斜面に、第２ホール素子である第２不純物拡散領域が形成され、
   前記複数個の溝に形成された、第１ホール素子の出力同士および第２ホール素子の出力同士が、それぞれ、電気接続されてなる磁気センサの製造方法であって、
   前記第１不純物拡散と第２不純物拡散領域のパターニングに、光露光によるレジストマスクが用いられることを特徴とする磁気センサの製造方法。
9. 前記溝を、ドライエッチングにより形成することを特徴とする請求項８に記載の磁気センサの製造方法。

Images