JP4475765B2

JP4475765B2 - 半導体ホールセンサ

Info

Publication number: JP4475765B2
Application number: JP2000230034A
Authority: JP
Inventors: 俊徳高塚
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2020-07-28
Also published as: JP2002043651A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ホールセンサに関し、より詳細には、半導体ホールセンサのパターン形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体ホールセンサは、ＶＴＲ、フロッピーディスクやＣＤ−ＲＯＭなどのドライブモータ用の回転位置検出センサあるいはポテンショメータ、歯車センサとして広く使われている。また、その感磁膜としては、移動度が高くかつ感度が良好なＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）やエネルギーバンドギャップ幅が大きく、かつ温度特性の良好なＧａＡｓ（ガリウム砒素）が広く用いられている。
【０００３】
この半導体ホールセンサは、磁界に比例したホール出力電圧を発生する性質を持ち合わせた磁気センサであるので、磁界が存在しないときのホール出力電圧は０になるべきである。しかしながら、実際には、磁界が存在しなくても、半導体ホールセンサに入力電圧をかけるだけでホール出力電圧が発生することがあり、これを不平衡電圧と呼んでいる。この不平衡電圧は、ホール出力電圧中のノイズと見なせるので、半導体ホールセンサの測定誤差になる。また、不平衡電圧を補正して、磁界が存在しないときのホール出力電圧を０にする回路として、Ｓｉ等の集積回路を用いる必要のある場合もあり、コストやサイズの点で問題になっている。
【０００４】
図１１は、半絶縁ＧａＡｓ基板を用いた従来の半導体ホールセンサの断面構造を示す図である。半絶縁ＧａＡｓ基板１１の表面にＳｉを選択的にイオン注入、またはＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法やＭＯＶＰＥ（metal organic vapor phase epitaxy）法などによってＩｎＳｂやＩｎＡｓ及びＧａＡｓ等の感磁膜１２を形成した後、フォトリソグラフィーを用いて所望のパターンに加工する。その後、この感磁膜１２にＳｉＯ₂やＳｉＮなどの無機物の保護膜１４と電流を流すための内部電極１３を形成し、ダイシング、ダイボンド、ワイヤーボンドの工程を経て、この電極１３にワイヤー１７を接続して樹脂１６でモールドした構造になっている。なお、符号１５はリードフレームを示している。
【０００５】
上述したように、半導体ホールセンサの感磁部パターンは、感磁膜をフォトリソグラフィーの手法でパターニングした後、エッチングして形成される。不平衡電圧は、半導体ホールセンサのパターニング時にできる、素子形状の幾何学的なアンバランスが要因となって発生することが多い。その原因として、マスクパターンに描かれた半導体ホールセンサのパターンと実際に製造された半導体ホールセンサのパターンは、エッチング精度等の問題があるため完全に一致しないことがあげられる。
【０００６】
この問題を解決する手段として、特開平１−２９８３５４号公報に記載の、十字形をしたホール素子パターン部の外周に存在する４つの内隅部分を角取りする方法（図８）などが提案されている。
【０００７】
図２は、従来の半導体ホールセンサのパターンを示す図である。十字形をしているパターン２１の外周に存在する内隅部分において、入力側パターンと出力側パターンのなす角度は９０度の直角であるものが多い。この半導体ホールセンサのパターンは、上下の電極を入力側端子、左右の電極を出力側端子としている。
【０００８】
さらに、半導体ホールセンサの抱えている問題の１つとして、Ｓｉ等で形成した集積回路（ＩＣ）に比べ、静電耐圧性が悪いことがあげられる。十字形の半導体ホールセンサのパターンの外周内隅部分に最大電界強度が発生し、その結果として、該内隅部分に電流が集中することが原因と考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、不平衡電圧の発生を抑制し、不平衡電圧に起因する測定精度を向上させ、さらに静電耐圧性も向上させた半導体ホールセンサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、十字パターン形状の外周に存在する４つの内隅部分のうち、少なくとも２箇所以上に、円形状の切欠部を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、十字パターン形状の外周に存在する４つの内隅部分のうち、入力端子側パターンと出力端子側パターンの交差する角度が、少なくとも２箇所以上鋭角であることを特徴とするものである。
【００１４】
特開平１−２９８３５４号公報に記載の方法は、ウェットエッチングのように等方的で精度のあまり高くないエッチングの場合は有効であるが、近年、イオンミリングやＥＣＲ（electron cyclotron resonance）等を用いた異方性の高いドライエッチングが進歩し、エッチング精度が向上してきたため、理想的なエッチングに近いもの、つまりマスクパターンとほぼ同形状のものが形成できるようになった。よって経験的ではなく、理論的に不平衡電圧を小さくする半導体ホールセンサのパターンを考える必要が出てきた。
【００１５】
そこで、本発明者はシミュレーション解析を用いて、計算に基づき不平衡電圧を小さくする半導体ホールセンサのパターンを検討した。シミュレーション解析の結果、半導体ホールセンサのパターンに、ある欠陥あるいはアンバランスが生じた場合、一般的な十字形ホールセンサパターンに比べ角取りを施した前述の特開平１−２９８３５４号公報に記載の半導体ホールセンサのパターンの方が、不平衡電圧が大きくなることが理論上わかった。この結果については、（比較例１）で詳述する。
【００１６】
さらに、本発明者は、従来の十字パターンや角取りをしたパターンに比べ不平衡電圧が小さくなる半導体ホールセンサのパターンを見出し、その上、この半導体ホールセンサのパターンは、静電耐圧性も向上することを見出し、本発明をなすに至った。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、半導体ホールセンサの等価回路を示す図である。この等価回路は、４つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４を用いたブリッジ回路で記述できる。図１において入力端子Ｖｉ（＋）とＶｉ（−）の間に１Ｖの電圧をかけたとき、出力側の端子Ｖｏ（＋）及びＶｏ（−）の出力はそれぞれ、下記式（１）；
Ｖｏ（＋）＝Ｒ４／（Ｒ１＋Ｒ４）・・（１）
及び下記式（２）；
Ｖｏ（−）＝Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）・・（２）
で表される。ホール出力電圧は式（１）と式（２）の差で表されるので、発生する不平衡電圧Ｖｕは下記式（３）；
Ｖｕ＝（Ｒ２・Ｒ４−Ｒ１・Ｒ３）／（Ｒ１＋Ｒ４）・（Ｒ２＋Ｒ３）・・（３）
で表すことができる。不平衡電圧を小さくするためには、式（３）の値を小さくすればよい。理想的には４つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の値は同じ値になり、不平衡電圧Ｖｕは０になる。しかし、パターン形成時に行うエッチングの際、半導体ホールセンサのパターンに若干の欠陥あるいはアンバランスが生じ、それぞれの抵抗値が等しくならず、０以外の不平衡電圧を出力してしまう。そのアンバランスによる抵抗の変化率は、エッチング精度によりある範囲内に収まるので、Ｖｕを小さくするためには、同じ欠陥やアンバランスが生じても、変化率が小さくなるようにすればよいことがわかる。
【００１８】
そのため、本発明の半導体ホールセンサは、前記のごとく、パターン部の外周内隅部分に切欠部を２箇所以上設け、その切欠部（削れ部分）が十字形状のパターンの内隅部分直角位置よりも内側に含まれた構成になっている。このような切欠部を設けることにより、この内隅部分における電流の集中が緩和され、内隅部分における電界強度が小さくなる。したがって、半導体ホールセンサのパターンに多少の幾何学的アンバランスが生じていても、このアンバランスによって電界強度が大きくばらつくことがなく、半導体ホールセンサの不平衡電圧も小さくなる。つまり、内隅部分に切欠部を設け、その内隅部分の電界強度を小さくすることにより、この半導体ホールセンサは幾何学的アンバランスに対して鈍感になり不平衡電圧を低減することができると考えられる。また、この電界強度の減少により、半導体ホールセンサの静電耐圧性も向上する。
【００１９】
本発明の半導体ホールセンサの製造方法は、従来の方法と変化はなく、ホールセンサのパターン形状のみに変化を加える。一例としては、図１１に示す半導体ホールセンサが挙げられる。つまり、半絶縁ＧａＡｓ基板１１の表面にＳｉを選択的にイオン注入、またはＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法などによってＩｎＳｂやＩｎＡｓおよびＧａＡｓなどの感磁膜１２を形成した後、フォトリソグフィーを用いて所望のパターンに加工する。その後、この感磁膜１２にＳｉＯ₂やＳｉＮなどの無機物の保護層１４と電流を流すための内部電極１３を形成し、ダイシング、ダイボンド、ワイヤーボンドの工程を経て、この電極１３にワイヤー１７を接触して樹脂１６でモールドした構造になっている。なお、符号１５はリードフレームを示している。
【００２０】
（実施例１）
図３は、本発明の半導体ホールセンサのパターンの一例を示す図である。この半導体ホールセンサのパターン１も十字形をしているので、４箇所の内隅部分２ａを有しているが、図２に示す従来の半導体ホールセンサのパターンのように、これらの内隅部分はいずれも直角ではなく、切欠部（削れ部分）が形成されている。このように、内隅部分が直角ではないので、本発明の半導体ホールセンサのパターンでは内隅部分の電界強度を小さくすることができる。
【００２１】
ここに、切欠部は内隅部に対して正方形状に削っており、縦横の寸法Ｌが３００μｍ、幅Ｗが１００μｍの十字形のパターンに対して、一辺が６μｍの長さの正方形になっている。また、同形状の切欠部を十字状パターンの入力側パターンもしくは出力側パターンに対して軸対称になるように設けることが好ましい。
【００２２】
切欠部の形状の一例を図４から図７に示す。なお、符号２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅはいずれも切欠部である。ここで、従来の十字形をした半導体ホールセンサのパターンと正方形の切欠部を有した半導体ホールセンサのパターンに同位置に同形状のアンバランスが発生する場合を考える。
【００２３】
アンバランスの形状としては、右上内隅部分より出力端子側に７．６μｍ離れた所に、二辺を４．５μｍとする直角二等辺三角形のパターン欠けを想定した。これは、オーバーエッチングもしくはレジストが欠けてしまったために、この半導体ホールセンサのパターンの一部が欠けてしまったことを想定している。このとき発生する不平衡電圧のシミュレーション結果は、従来の十字形の半導体ホールセンサのパターンでは、入力電圧を１Ｖとすると０．７４ｍＶ、正方形の切欠部を有した半導体ホールセンサのパターンでは同入力で０．３１ｍＶと不平衡電圧を約５８％も低減することができる。
【００２４】
さらに、前述のパターン欠けの存在しない理想的形状が形成された場合、内隅部分に存在する最大電界強度は、従来の十字形の半導体ホールセンサのパターンで１．６４９×１０⁴Ｖ／ｍ、正方形の切欠部を有する半導体ホールセンサのパターンで１．４２１×１０⁴Ｖ／ｍとなり、電界強度も約１４％低減し、静電耐圧性の向上にも有効な事を確認した。正方形の切欠部の代わりに、切欠部を半径３．０μｍの円形にした場合（図４）も、前述と同条件下で不平衡電圧は０．３９ｍＶ、最大電界強度は０．９９６×１０⁴Ｖ／ｍとなり、従来の十字形パターンと比較して、それぞれ約４７％、約４０％の低減が見られた。
【００２５】
以上の結果と、図５から図７のシミュレーション結果をまとめて表１に示す。不平衡電圧の減少に着目すると、切欠部の形状は正方形が今回行った検討の中では最適である。静電耐圧性の向上に着目する場合は、切欠部の形状は円形が今回行った検討の中では最適である。
【００２６】
また、切欠部の大きさについては、あらゆる大きさのものについて有効であると考えられる。今回シミュレーションでは（Ｌ−Ｗ）／２に対する比として、０．１〜４０％のものを行ない、不平衡電圧の減少、静電耐圧性の向上に効果がみられる。その中でも特に効果が顕著なものとしては、（Ｌ−Ｗ）／２に対する比として、１〜２０％のものが挙げられる。また、今回のシミュレーションは、ホールセンサのパターンとしてＬ／Ｗが３のものを用いたが、当然３以外のものでも上述した結果と同様の効果があらわれる。以上のシミュレーション解析は、半導体ホールセンサの特性としてＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）に相当する電気抵抗率を用いて行った。なお、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）及びＧａＡｓ（ガリウム砒素）に相当する電気抵抗率を用いても同様な効果が確認された。
【００２７】
不平衡電圧を減少し、さらに、静電耐圧性を向上させる半導体ホールセンサの他のパターンとして（実施例１）以外の方法としては、図９及び図１０に示すように、入出力パターン４１、５１の交差する内隅部分を鋭角、もしくは円弧状にした十字状パターンの内隅部分に切欠部（４ａ、５ａ）を設けることも考えられる。
【００２８】
（比較例１）
前述した特開平１−２９８３５４号公報に示されている角取りを有する半導体ホールセンサのパターン（図８）が発生する不平衡電圧についても検討した。（実施例１）で用いた図２に示す十字形の半導体ホールセンサのパターンを基にシミュレーション解析を行った。すなわち、縦横の寸法Ｌが３００μｍ、幅Ｗが１００μｍの十字形パターンである。この十字形の半導体ホールセンサのパターンの内隅部分４箇所に、二辺を４．５μｍとする直角二等辺三角形を角取りしたパターンである。このパターンに（実施例１）と同様、右上内隅部分より出力端子側に７．６μｍ離れたところに、二辺を４．５μｍとする直角二等辺三角形のパターン欠けをつくると、このアンバランスにより発生する不平衡電圧は入力電圧を１Ｖにすると１．００ｍＶであった。
【００２９】
従来の十字形の半導体ホールセンサのパターンは、同条件で０．７４ｍＶであったので、約３５％不平衡電圧が増加したことになる。以上のシミュレーション解析も、半導体ホールセンサの特性としてＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）に相当する電気抵抗率を用いて行った。なお、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）及びＧａＡｓ（ガリウム砒素）に相当する電気抵抗率を用いても同様な結果になった。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、十字パターン形状の外周に存在する４つの内隅部分のうち、少なくとも２箇所以上に、円形状の切欠部を設け、また、十字パターン形状の外周に存在する４つの内隅部分のうち、入力端子側パターンと出力端子側パターンの交差する角度が、少なくとも２箇所以上鋭角であるようにしたので、不平衡電圧が半導体ホールセンサのパターンの欠陥あるいはアンバランスに対して鈍感になり、従来の十字形状の半導体ホールセンサのパターンと比較して不平衡電圧を小さくすることができる。さらに、半導体ホールセンサのパターンの内隅部分に存在する最大電界強度が小さくなり、その結果、電流の集中を緩和することができる。したがって、半導体ホールセンサの抱える問題の１つであった静電耐圧性も向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体ホールセンサの等価ブリッジ回路を示す図である。
【図２】従来の十字形の半導体ホールセンサのパターン図である。
【図３】本発明の半導体ホールセンサのパターンの一例を示す図である。
【図４】本発明の半導体ホールセンサのパターンの他の一例を示す図である。
【図５】本発明の半導体ホールセンサのパターンのさらに他の一例を示す図である。
【図６】本発明の半導体ホールセンサのパターンの他の一例を示す図である。
【図７】本発明の半導体ホールセンサのパターンの他の一例を示す図である。
【図８】従来の半導体ホールセンサのパターンの他の一例を示す図である。
【図９】本発明の半導体ホールセンサのパターンの他の一例を示す図である。
【図１０】本発明の半導体ホールセンサのパターンの他の一例を示す図である。
【図１１】従来の半導体ホールセンサの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１、５１半導体ホールセンサのパターン
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、４ａ、５ａ切欠部（削れ部分）
３ａ角取り部
１１半絶縁性単結晶ＧａＡｓ基板
１２感磁膜
１３内部電極
１４無機物の保護膜
１５リードフレーム
１６モールド樹脂
１７リード線

Claims

十字パターン形状の外周に存在する４つの内隅部分のうち、少なくとも２箇所以上に、円形状の切欠部を設けたことを特徴とする半導体ホールセンサ。
十字パターン形状の外周に存在する４つの内隅部分のうち、入力端子側パターンと出力端子側パターンの交差する角度が、少なくとも２箇所以上鋭角であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ホールセンサ。