JP5064732B2

JP5064732B2 - 磁気センサ及びその製造方法

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Publication number: JP5064732B2
Application number: JP2006192059A
Authority: JP
Inventors: 曜山縣; 勝己角田
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2026-07-12
Also published as: JP2008020308A

Description

本発明は、磁気センサ及びその製造方法に関し、より詳細には、ホール素子と磁気増幅機能を有する磁性体とを備え、ホール素子と磁性体との距離を考慮した磁気センサ及びその製造方法に関する。

従来から、ホール素子と磁気増幅機能を有する磁性体（磁気収束板）とを組み合わせた磁気センサは知られている。図１は、従来の磁気センサを説明するための構成図である。半導体回路１は、半導体基板３とこの半導体基板３に設けられたホール素子４ａ，４ｂからなり、この半導体回路１上には保護層５と接着層６が設けられ、さらにその上に磁気収束板２が設けられている。

この種の磁気センサに用いられる磁気収束板を作製するためには、通常、磁性体テープが用いられている。つまり、半導体プロセスによって形成されたホール素子と集積回路上にエポキシ接着剤を塗布し、磁性体テープをこのエポキシ接着剤上に搭載して、２次元ないし３次元の方向を検出する磁気センサを実現していた。この磁気収束板は、厚い磁性体テープをウエットエッチングで加工して作製していた。この場合のエポキシ接着剤の厚みは、およそ２〜４μｍで、ホール素子の上面から磁気収束板の底面までの距離は、およそ６〜８μｍとなっていた。

なお、ホール素子と磁気増幅機能を有する磁性体（磁気収束板）とを組み合わせた磁気センサに関する特許文献としては、以下のものがある。例えば、特許文献１に記載のものは、磁場の方向を２次元で決定できるようにした磁場方向検出センサに関するもので、平らな形状を有する磁気収束板と、第１のホール効果素子及び第２のホール効果素子とを備え、これらのホール効果素子が磁気収束板の端部領域に配置してなるものである。

また、特許文献２に記載のものは、磁気増幅機能を有する磁気収束板を備え、その磁気収束板の端部より漏れる磁束を半導体ホール素子により検出する磁気センサに関するもので、半導体ホール素子を形成した後、スパッタリングにより第１の金属膜であるＴｉ薄膜を堆積させた後、第２の金属膜であるＮｉ−Ｆｅ合金薄膜を堆積させ、更に、電解鍍金によりＮｉ−Ｆｅ合金薄膜を堆積して磁気収束板を形成するようにしたものである。また、下地は２層構造を有しており、第１の金属層であるＴｉ薄膜は、下地絶縁層とＮｉ−Ｆｅ合金薄膜の密着性を上げるためのものである。

特開２００２−７１３８１号公報特開２００３−１４２７５２号公報

しかしながら、図１に示した磁気センサにおいて、半導体回路１と磁気収束板２との間に用いられる接着剤は、固まると収縮するためウエハ上に高張力がかかり、ウエハ全体が反ってしまうというは問題が生じる。この接着剤を厚くすると接着力が高まるが感度は低下して益々収縮し、塗布する接着剤を薄く均一に加工・成型する事は難しい。また、薄すぎると接着力は弱まるが、薄くする事でセンサ感度が高くなる。

このように、接着力を維持しながら（応力を緩和しながら）接着剤の厚みを考慮しつつ感度の向上及び感度バラツキの低減を図ることは難しかった。また、従来、所定の感度を得るという観点から接着剤の厚みは２〜４μｍ前後としており、この接着剤の厚さを均一性に保つことは容易ではなかった。その結果、従来の磁気センサにおけるホール素子の上面から磁気収束板の底面までの距離は、６〜８μｍ以下に制限しなければならず、また、この距離を保ちながら感度のバラツキを抑制することは難しいという問題があった。

なお、上述した特許文献１及び２においては、ホール素子の上面から磁気収束板の底面までの距離については特段の言及は無く、接着力や加工性と感度・感度バラツキの点を勘案してその距離は、凡そ、６〜８μｍであると考えられる。

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、ホール素子と磁気増幅機能を有する磁性体とを組み合わせ、ホール素子と磁性体との距離を考慮して感度のバラツキを抑制するようにした磁気センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、複数のホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた、該半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気を検出する磁気センサにおいて、前記半導体回路上に設けられた中間層と、該中間層上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備え、前記ホール素子の上面から前記磁性体の底面までの距離が１１〜２０μｍであり、前記中間層が、ポリイミド層と、該ポリイミド層上に設けられたＴｉＷ及びＣｕからなる下地金属層とからなり、前記磁性体が、電解めっきにより形成されており、前記磁性体の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、前記半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気に対する感度変化が小さくなり感度のバラツキが抑制されることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、複数のホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた、該半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気を検出する磁気センサの製造方法において、半導体基板の表面に前記ホール素子を埋め込み形成する工程と、前記半導体基板上にポリイミド層を形成する工程と、該ポリイミド層上にＴｉＷとＣｕからなる下地金属層を形成する工程と、前記下地金属層上に、前記ホール素子の周辺上部が空隙部となるようにレジストパターンニングによりレジストを形成する工程と、前記下地金属層上の前記空隙部に前記磁気増幅機能を有する磁性体を電界めっきにより形成する工程とを有し、前記ホール素子の上面から前記磁性体の底面までの距離を１１〜２０μｍに形成することで、前記磁性体の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、前記半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気に対する感度変化が小さくなり感度のバラツキが抑制されることを特徴とする。
ことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記下地金属層をスパッタリング法により形成することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記レジストパターンニングをフォトリソグラフィーにより形成することを特徴とする。

本発明によれば、半導体回路上に設けられた中間層と、この中間層上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備え、ホール素子の上面から磁性体の底面までの距離が１１〜２０μｍであり、中間層が、ポリイミド層と、このポリイミド層上に設けられたＴｉＷ及びＣｕからなる下地金属層とからなり、磁性体が、電解めっきにより形成されており、磁性体の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、感度変化が小さくなり感度のバラツキが抑制されるようにしたので、感度絶対値は低下するものの、磁気収束板の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、感度変化が小さくなる。また、中間層の厚みが得られることにより厚み調整が可能となって感度のバラツキが抑制されるという効果を奏する。中間層の厚みが取れることから、磁気収束板底面側の空洞などによる感度変動も抑制される効果を有する。

また、従来のようなエポキシ接着剤を用いずにポリイミド層を一旦設けて、その後、磁気収束板を形成しているので、エポキシ接着剤によるウエハの反りが加工途中で問題にならなくなるという効果を奏する。

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２は、本発明に係る磁気センサの一実施例を説明するための構成図で、図中符号１１は半導体回路、１２は磁気収束板、１３は半導体基板、１４ａ，１４ｂはホール素子、１５は通常の集積回路に使われるパッシベーションやポリイミドからなる層（保護層）、１６は下地金属層を示している。

本発明の磁気センサは、ホール素子１４ａ，１４ｂが形成された半導体回路１１と磁気収束板１２とを組み合わせたものである。半導体回路１１は、半導体基板１３と、この半導体基板１３の表面と略平面になるように、互いに所定の距離を隔てて半導体基板１３の表面に埋め込まれた複数のホール素子１４ａ，１４ｂとから構成されている。

また、集積回路を保護する保護層１５は、ホール素子１４ａ，１４ｂの上方に配置されるように半導体回路１１上に設けられ、この保護層１５上には、ＴｉＷとＣｕからなる下地金属層１６が設けられ、保護層１５と下地金属層１６とで中間層を構成している。また、この下地金属層１６上には、磁気増幅機能を有する磁気収束板１２が設けられ、この磁気収束板１２はＮｉＦｅからなっており、円形又は多角形が好ましい。

本発明におけるホール素子１４ａ，１４ｂの上面から磁気収束板１２の底面までの距離Ａは、１１〜２０μｍになっている。これにより、感度絶対値は低下するものの、磁気収束板の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、感度変化が小さくなり、中間層の厚みが得られることにより厚み調整が可能となって感度のバラツキが抑制される。

なお、図２には示されていないが、実際には半導体回路１１と保護層１５の間には、ＩＣ配線層が設けられている（後述する図７（ａ）以降の製造方法を説明する図においては図示してある）。

図３は、積分要素法を用いた静磁場３次元解析による、本発明の磁気センサにおける磁気収束板の半径と磁気増幅度の関係を示す図である。ある点で、実測で求めた磁気増幅度と比較して約７％の食い違いしかない事を確かめた。この図３から分かるように、半径Ｒ＝１００μｍの時、ホール素子の上面から磁気収束板の底面までの距離Ａが６μｍのケースでは、磁気収束板の厚み１０μｍで約２．０５倍、距離Ａ＝９で厚みＴ＝１５で約１．７２、距離Ａ＝１１で厚みＴ＝１５で約１．６、距離Ａ＝１５で厚みＴ＝１５で約１．６である。半径Ｒ＝１１０μｍの時、距離Ａ＝９で厚みＴ＝１５で約１．４２、距離Ａ＝１１で厚みＴ＝１５で約１．３６、距離Ａ＝１５で厚みＴ＝１５で約１．３２、距離Ａ＝２０で厚みＴ＝１３で約１．１７である。

このように、ホール素子の上面から磁気収束板の底面までの距離Ａを９〜２０μｍにしても、要求する感度増幅度に対して磁気収束板の半径Ｒを選択すれば、実用的な磁気センサが得られることが分かる。なお、感度の低下に関しては、感度が高いホール素子の構成を適当に選んだり、ＩＣの積分機能との併用とにより、初段での磁気増幅度を補うことができて、垂直距離が離れたことによる実質的な感度の低下は実用上の問題にならない。

図４は、積分要素法を用いた静磁場３次元解析による、磁気収束板の直径に対するＸ軸・Ｙ軸の磁気感度の関係を示す図で、水平方向の磁気感度を示している。ホール素子の水平面・垂直面内位置を固定した状態で、磁気収束板の厚みと半径Ｒと、ホール素子の上面と磁気収束板の底面間距離をパラメータとして計算したものである。

ホール素子１４ａ，１４ｂの上面から磁気収束板１２の底面までの距離Ａが、９〜２０μｍになるにつれて感度絶対値は低下するものの、磁気収束板の垂直方向の距離変化に対して、感度変化が小さくなることが分かる。これから同様にして、水平面内位置ずれに関しても、感度変化が小さくなることが分かる。中間層の厚みが得られることにより厚み調整が可能となって感度のバラツキが抑制される。

図５は、積分要素法を用いた静磁場３次元解析による、磁気収束板の直径に対するＺ軸の磁気感度の関係を示す図で、垂直方向の磁気感度を示している。ホール素子の水平面・垂直面内位置を固定した状態で、磁気収束板の厚みと半径Ｒと、ホール素子の上面と磁気収束板の底面間距離をパラメータとして計算したものである。

図６は、積分要素法を用いた静磁場３次元解析による、磁気収束板の直径に対するＸ軸・Ｙ軸の磁気感度／Ｚ軸の磁気感度の比の関係を示す図で、水平方向の磁気感度と垂直方向の磁気感度の比を示している。ホール素子の水平面・垂直面内位置を固定した状態で、磁気収束板の厚みと半径Ｒと、ホール素子の上面と磁気収束板の底面間距離をパラメータとして計算したものである。

ホール素子１４ａ，１４ｂの上面から磁気収束板１２の底面までの距離Ａが、９〜２０μｍになるにつれて感度比絶対値は低下し、１に近づくものの、磁気収束板の垂直方向の距離変化に対して、感度変化が小さくなることが分かる。これから同様にして、水平面内位置ずれに関しても、感度変化が小さくなることが分かる。中間層の厚みが得られることにより厚み調整が可能となって、感度や感度比のバラツキが抑制される。

仮に、感度比絶対値（Ｘ／Ｚ、或いは、Ｙ／Ｚ）の目安を１以上とした場合において、本数値解析例では、ホール素子上面―磁気収束板底面間距離Ａ＝２０μｍ、磁気収束板の直径が２４０μｍ、磁気収束板の厚みが１６μｍで、感度比絶対値が１をクロスする。Ｘ・Ｙ軸とＺ軸間の感度バランスを求めない場合は、例えば、直径２００μｍなどの半径を狭い側に選び、距離Ａを９〜２０μｍから更に外側に範囲を広くとる事も可能である。

図７（ａ）乃至（ｃ）及び図８（ｄ）乃至（ｆ）は、本発明に係る磁気センサの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、ＳｉやＧａＡｓからなる半導体基板１３中に、この半導体基板１３の表面と同一の平面になるように互いに所定の距離を隔てて複数のホール素子１４ａ，１４ｂを埋め込み形成し、次に、半導体基板１３上に、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどを併用しながらＩＣ配線層１７を形成して、半導体回路１１を形成する（磁気センサチップの作製）。さらにその上に、パッシベーション層を形成し、更に、その上にポリイミドを形成する。半導体回路１１上に、ＳｉＯ_２やＳｉＮなど、或いは、ポリイミドからなる保護層１５を形成する。ポリイミドは５μｍの厚さで形成した（保護層形成）。

次に、図７（ｂ）に示すように、保護層１５上に、Ｔｉ、Ｗ又はＴｉＷ合金からなる膜厚０．０１〜１μｍの第１の金属膜１６ａをスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する（第１下地層形成）。

次に、図７（ｃ）に示すように、第１の金属膜１６ａ上に、Ｃｕからなる膜厚０．１〜２μｍの第２の金属膜１６ｂをスパッタリング法又は真空蒸着法により形成する（第２下地層形成）。この第１下地層及び第２下地層をＵＢＭ層（ＵｎｄｅｒＢｕｍｐＭｅｔａｌ）という。保護層１５と下地金属層１６ａ，１６ｂの合計の厚みは約６μｍである。

次に、図８（ｄ）に示すように、第２の金属膜１６ｂ上に、ホール素子１４ａ，１４ｂ上が空隙部１８ａとなるように、フォトリソグラフィーによるレジストパターンニングによりフォトレジスト１８を形成する（レジストパターン形成）。

次に、図８（ｅ）に示すように、第２の金属膜１６ｂ上の空隙部１８ａに、膜厚５〜３０μｍの磁気増幅機能を有する磁気収束板１２を電解めっきで形成する（磁性体メッキ処理）。ここにおいて、ホール素子の上面から磁性体の底面までの距離を９〜２０μｍに形成する。

この磁気収束板１２は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金を電解メッキにより作製したもので、パーマロイやスーパーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）からなることが好ましく、それにＣｏを添加したものは、磁気ヒステリシスが減少するのでより好ましい。さらには、パーメンジュール（Ｆｅ−Ｃｏ系合金）又はセンダスト（Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合金）からなることが好ましい。

次に、図８（ｆ）に示すように、フォトレジスト１８を除去する（レジストパターン除去）。その結果、磁気収束板１２が第２の金属膜１６ｂ上に残ることになる。

次に、図示しないが、ＮｉＦｅをマスクとしてＣｕエッチングする。この場合、ＮｉＦｅはエッチングされずにＣｕのみ選択エッチングされる（Ｃｕエッチング）。また、ＮｉＦｅをマスクとしてＴｉＷをエッチングする。この場合、ＮｉＦｅはエッチングされずにＴｉのみ選択エッチングされる（Ｔｉエッチング）。

最後に、複数の磁気センサチップをダイシングにより単体のチップに分離する（ダイシング）。

このように、本発明の磁気センサにおけるホール素子の上面から磁気収束板の底面までの距離を１１〜２０μｍとしたので、磁気収束板の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、感度変化が小さくなり感度のバラツキが抑制された磁気センサを実現することができる。

従来の磁気センサを説明するための構成図である。本発明に係る磁気センサの一実施例を説明するための構成図である。本発明の磁気センサにおける磁気収束板の半径と磁気増幅度の関係を示す図である。積分要素法を用いた静磁場３次元解析による、磁気収束板の直径に対するＸ軸・Ｙ軸の磁気感度の関係を示す図である。積分要素法を用いた静磁場３次元解析による、磁気収束板の直径に対するＺ軸の磁気感度の関係を示す図である。磁気収束板の直径に対するＸ軸・Ｙ軸の磁気感度／Ｚ軸の磁気感度の比の関係を示す図である。本発明に係る磁気センサの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図（その１）である。本発明に係る磁気センサの製造方法の一実施例を説明するための工程断面図（その２）である。

符号の説明

１半導体回路
２磁気収束板
３半導体基板
４ａ，４ｂホール素子
５保護層
６接着層
１１半導体回路（半導体基板１３とＩＣ配線層１７を含む）
１２磁気収束板
１３半導体基板
１４ａ，１４ｂホール素子
１５保護層
１６下地金属層
１６ａ第１の金属膜
１６ｂ第２の金属膜
１７ＩＣ配線層（層間絶縁膜や保護層などを含む）
１８フォトレジスト
１８ａ空隙部

Claims

複数のホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた、該半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気を検出する磁気センサにおいて、
前記半導体回路上に設けられた中間層と、
該中間層上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体と
を備え、
前記ホール素子の上面から前記磁性体の底面までの距離が１１〜２０μｍであり、
前記中間層が、ポリイミド層と、該ポリイミド層上に設けられたＴｉＷ及びＣｕからなる下地金属層とからなり、
前記磁性体が、電解めっきにより形成されており、
前記磁性体の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、前記半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気に対する感度変化が小さくなり感度のバラツキが抑制されることを特徴とする磁気センサ。
複数のホール素子が設けられた半導体回路と、該半導体回路上に設けられた磁気増幅機能を有する磁性体とを備えた、該半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気を検出する磁気センサの製造方法において、
半導体基板の表面に前記ホール素子を埋め込み形成する工程と、
前記半導体基板上にポリイミド層を形成する工程と、
該ポリイミド層上にＴｉＷとＣｕからなる下地金属層を形成する工程と、
前記下地金属層上に、前記ホール素子の周辺上部が空隙部となるようにレジストパターンニングによりレジストを形成する工程と、
前記下地金属層上の前記空隙部に前記磁気増幅機能を有する磁性体を電界めっきにより形成する工程と
を有し、前記ホール素子の上面から前記磁性体の底面までの距離を１１〜２０μｍに形成することで、前記磁性体の平面内位置ずれや垂直方向の距離変化に対して、前記半導体回路の少なくとも水平面方向の２軸の各軸それぞれの磁気に対する感度変化が小さくなり感度のバラツキが抑制されることを特徴とする磁気センサの製造方法。
前記下地金属層をスパッタリング法により形成することを特徴とする請求項２に記載の磁気センサの製造方法。
前記レジストパターンニングをフォトリソグラフィーにより形成することを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気センサの製造方法。