JP6064344B2 - 磁気検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ホール素子及びその製造方法、並びに磁気検出装置に関する。
いわゆるホール効果を利用したホール素子は、磁気検出器やホールモータ等、様々な用途で用いられている。ホール効果素子のチャネル材料としては、シリコン、III-V族化合物半導体が用いられている。
S. Bae他 Nature Nanotechnology, 5, 574 (2010).
K. Nagashio他 Japanese Journal of Applied Physics Vol. 49, 051304 (2010).
シリコンチャネルのホール素子は、安価で大量生産が可能であり、シリコンＬＳＩとモノリシック集積化することにより付加価値を高めることができる。しかしながら、電子移動度が低いために磁気感度が低いという問題がある。
III-V族化合物半導体チャネルのホール素子は、移動度が高く、磁気感度を高くすることができるので、現在主流となっている。しかしながら、移動度の高い材料はバンドギャップが小さい傾向にあり、温度による移動度やキャリア密度、出力電圧の変動が大きいという問題がある。また、Ｉｎ，Ｓｂ等のIII-V族化合物半導体の構成元素はいわゆる稀少元素（レアメタル）であり、将来にわたる価格・供給の安定性に問題がある。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、安価で大量生産を可能とするも、稀少元素のような価格・供給の不安定な元素を含まず、移動度が高く、しかも移動度、キャリア密度、出力電圧の温度依存性の小さい、信頼性の高いホール素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、上記のホール素子を用いてモノリシック集積化した付加価値の高い磁気検出装置を提供することを目的とする。
また、上記のホール素子を用いてモノリシック集積化した付加価値の高い磁気検出装置を提供することを目的とする。
本発明の磁気検出装置は、基板と、前記基板の上方に形成された機能素子と、前記基板の上方に形成されたホール素子と前記機能素子と前記ホール素子とを電気的に接続する配線とを備え、前記ホール素子は、グラファイトからなるチャネルと、前記チャネルに接続された電極とを含み、前記機能素子と前記ホール素子とは、同一の前記基板の水平面内に並んで配置されており、前記機能素子は前記基板上の第１絶縁膜内に、前記ホール素子は前記第１絶縁膜上の第２絶縁膜内に、それぞれ設けられている。
本発明によれば、安価で大量生産を可能とするも、レアメタルのような価格・供給の不安定な元素を含まず、移動度が高く、しかも移動度、キャリア密度、出力電圧の温度依存性の小さい、信頼性の高いホール素子が実現する。
また、上記のホール素子を用いてモノリシック集積化した付加価値の高い磁気検出装置が実現する。
また、上記のホール素子を用いてモノリシック集積化した付加価値の高い磁気検出装置が実現する。
以下、本発明を適用した好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態では、ホール素子の構成及びその製造方法を開示する。
図１は、本実施形態によるホール素子の構成を示す模式図であり、（ａ）が概略平面図、（ｂ）が（ａ）中の破線Ｉ−Ｉ'に沿った概略断面図である。
本実施形態では、ホール素子の構成及びその製造方法を開示する。
図１は、本実施形態によるホール素子の構成を示す模式図であり、（ａ）が概略平面図、（ｂ）が（ａ）中の破線Ｉ−Ｉ'に沿った概略断面図である。
本実施形態によるホール素子は、半導体基板、半導体層、絶縁基板、絶縁層、プリント基板等、様々な下地上に形成される。
本実施形態では、ホール素子１は、例えばシリコン基板１１の上方にＳｉＯ2等の絶縁層１２を介して、この絶縁層１２上に形成される。ホール素子１は、グラファイト薄膜からなるチャネル領域１３と、４つの電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとを備えて構成されている。
本実施形態では、ホール素子１は、例えばシリコン基板１１の上方にＳｉＯ2等の絶縁層１２を介して、この絶縁層１２上に形成される。ホール素子１は、グラファイト薄膜からなるチャネル領域１３と、４つの電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとを備えて構成されている。
チャネル領域１３は、グラファイト薄膜が所定形状、例えば図１（ａ）のように、十文字形状にパターニングされて形成される。電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、グラファイトに対してオーミックコンタクトをなす導電材料で形成されており、十文字形状のチャネル領域１３の端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを覆い、それぞれチャネル領域１３と接続されている。
ここで、ホール効果について説明する。
ホール係数をＲH、キャリア濃度をｎ(ｍ-3)、移動度をμ(ｍ2／Ｖｓ)、素子電流をＩX(Ａ)、チャネル厚みをｔ(ｍ)、チャネル幅をＷ(ｍ)、チャネル長をＬ(ｍ)、素電荷をｑ(Ｃ)、磁束密度をＢZ(Ｔ)とすると、ホール電圧ＶHは、
ＶH＝ＲHＩXＢZ／ｔ
で表される。ホール素子を定電圧Ｖinの下で駆動すると、
ＩX＝ｑｎμＶinＷｔ／Ｌ
であり、更にホール係数ＲHは
ＲH＝１／ｑｎ
であるため、
ＶH＝μＶinＢZＷ／Ｌ
となり、定電圧駆動の下ではホール電圧は移動度に比例することが判る。また、ホール電圧の温度依存性も移動度の温度依存性で決まる。
ホール係数をＲH、キャリア濃度をｎ(ｍ-3)、移動度をμ(ｍ2／Ｖｓ)、素子電流をＩX(Ａ)、チャネル厚みをｔ(ｍ)、チャネル幅をＷ(ｍ)、チャネル長をＬ(ｍ)、素電荷をｑ(Ｃ)、磁束密度をＢZ(Ｔ)とすると、ホール電圧ＶHは、
ＶH＝ＲHＩXＢZ／ｔ
で表される。ホール素子を定電圧Ｖinの下で駆動すると、
ＩX＝ｑｎμＶinＷｔ／Ｌ
であり、更にホール係数ＲHは
ＲH＝１／ｑｎ
であるため、
ＶH＝μＶinＢZＷ／Ｌ
となり、定電圧駆動の下ではホール電圧は移動度に比例することが判る。また、ホール電圧の温度依存性も移動度の温度依存性で決まる。
図２は、グラファイト薄膜における電子移動度の温度依存性を示す特性図である（非特許文献２を参照）。
ここでは、１原子層〜１２原子層、及び厚み１４ｎｍのグラファイト薄膜について示している。図２により、２原子層〜８原子層のグラファイト薄膜では、電子移動度の温度依存性が消失していることが判る。図２から間接的に、９原子層〜１０原子層のグラファイト薄膜でも殆ど電子移動度の温度依存性がないことが推察される。１原子層のグラファイト薄膜でも、１５０Ｋ〜３００Ｋの温度範囲内では、電子移動度に殆ど温度依存性が見られない。
ここでは、１原子層〜１２原子層、及び厚み１４ｎｍのグラファイト薄膜について示している。図２により、２原子層〜８原子層のグラファイト薄膜では、電子移動度の温度依存性が消失していることが判る。図２から間接的に、９原子層〜１０原子層のグラファイト薄膜でも殆ど電子移動度の温度依存性がないことが推察される。１原子層のグラファイト薄膜でも、１５０Ｋ〜３００Ｋの温度範囲内では、電子移動度に殆ど温度依存性が見られない。
本実施形態では、チャネル領域１１のグラファイト薄膜は、１原子層〜１０原子層、好ましくは１原子層〜８原子層、更に好適には２原子層〜８原子層で形成される。チャネル領域１１にこのような層構成のグラファイト薄膜を用いることにより、移動度、キャリア密度、出力電圧の温度依存性が極めて小さく、広範囲の温度下で使用可能なホール素子が実現する。
以下、本実施形態によるホール素子の製造方法について説明する。
先ず、シリコン基板１１上に形成された絶縁層１２上に、グラファイト薄膜を成膜する。
グラファイト薄膜の成膜方法としては、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる。Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ等の触媒基板上に、メタン、エチレン等の炭化水素ガスを原料ガスとした化学気相成長法を用いて所望の層数のグラファイト膜を成長する。グラファイト薄膜の層数は、主に原料ガスの供給量と成長時間によって決まり、最適化することで精度よく成膜することができる。層数の確認は干渉色の観察やラマン分光法により行うことができる。グラファイト薄膜の原料は炭素或いは炭化水素であるため、資源量には問題はない。
触媒基板を、所定のケミカルエッチングにより溶解し、グラファイト薄膜のみを取り出す。
先ず、シリコン基板１１上に形成された絶縁層１２上に、グラファイト薄膜を成膜する。
グラファイト薄膜の成膜方法としては、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる。Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ等の触媒基板上に、メタン、エチレン等の炭化水素ガスを原料ガスとした化学気相成長法を用いて所望の層数のグラファイト膜を成長する。グラファイト薄膜の層数は、主に原料ガスの供給量と成長時間によって決まり、最適化することで精度よく成膜することができる。層数の確認は干渉色の観察やラマン分光法により行うことができる。グラファイト薄膜の原料は炭素或いは炭化水素であるため、資源量には問題はない。
触媒基板を、所定のケミカルエッチングにより溶解し、グラファイト薄膜のみを取り出す。
続いて、グラファイト薄膜を絶縁層１２上に転写する。
グラファイト薄膜の転写先は、絶縁層１２に限定されるものではない。例えば、シリコン基板、ガラス基板、サファイア基板、更にはポリイミド等の各種フレキシブル基板など、目的に応じて選択される。
転写技術は特殊なものではなく、例えば非特許文献１にて開示された技術を援用することができる。
グラファイト薄膜の転写先は、絶縁層１２に限定されるものではない。例えば、シリコン基板、ガラス基板、サファイア基板、更にはポリイミド等の各種フレキシブル基板など、目的に応じて選択される。
転写技術は特殊なものではなく、例えば非特許文献１にて開示された技術を援用することができる。
続いて、グラファイト薄膜をパターニングして、チャネル領域１３を形成する。
絶縁層１２上に転写されたグラファイト薄膜を、リソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)技術を用いて、グラファイト薄膜を所望の形状、例えば図１（ａ）の十文字形状にパターニングする。グラファイト膜は酸素系のエッチングガスを用いたＲＩＥにより、容易にエッチングすることができる。以上により、絶縁層１２上にチャネル領域１３が形成される。
絶縁層１２上に転写されたグラファイト薄膜を、リソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)技術を用いて、グラファイト薄膜を所望の形状、例えば図１（ａ）の十文字形状にパターニングする。グラファイト膜は酸素系のエッチングガスを用いたＲＩＥにより、容易にエッチングすることができる。以上により、絶縁層１２上にチャネル領域１３が形成される。
続いて、電極１４ａ〜１４ｄを形成する。
リソグラフィー技術を用いて、チャネル領域１３上に、電極形成部位を開口するレジストマスクを形成する。
真空蒸着技術を用いて、開口を埋め込むように、レジストマスク上に、グラファイトに対してオーミックコンタクトをなす導電材料、例えば、Ｔｉ(膜厚１０ｎｍ程度)／Ａｕ(膜厚２００ｎｍ程度)、Ｎｉ(膜厚１０ｎｍ程度)／Ａｕ(膜厚２００ｎｍ程度)、或いはＰｄ(膜厚１０ｎｍ程度)／Ａｕ(膜厚２００ｎｍ程度)を堆積する。
リフトオフ法により、レジストマスクをその上の導電材料と共に剥離する。以上により、十文字形状のチャネル領域１３の端部１３ａ〜１３ｄを覆い、それぞれチャネル領域１１と接続された電極１４ａ〜１４ｄが形成される。
リソグラフィー技術を用いて、チャネル領域１３上に、電極形成部位を開口するレジストマスクを形成する。
真空蒸着技術を用いて、開口を埋め込むように、レジストマスク上に、グラファイトに対してオーミックコンタクトをなす導電材料、例えば、Ｔｉ(膜厚１０ｎｍ程度)／Ａｕ(膜厚２００ｎｍ程度)、Ｎｉ(膜厚１０ｎｍ程度)／Ａｕ(膜厚２００ｎｍ程度)、或いはＰｄ(膜厚１０ｎｍ程度)／Ａｕ(膜厚２００ｎｍ程度)を堆積する。
リフトオフ法により、レジストマスクをその上の導電材料と共に剥離する。以上により、十文字形状のチャネル領域１３の端部１３ａ〜１３ｄを覆い、それぞれチャネル領域１１と接続された電極１４ａ〜１４ｄが形成される。
しかる後、所定の後工程を経て、ホール素子１が形成される。
以上説明したように、本実施形態によれば、安価で大量生産を可能とするも、レアメタルのような価格・供給の不安定な元素を含まず、移動度が高く、しかも移動度、キャリア密度、出力電圧の温度依存性の小さい、信頼性の高いホール素子１が実現する。このホール素子１を適用することにより、各種の電子機器の性能向上に寄与するところ大である。
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態によるホール素子を用いた磁気検出装置を開示する。
図３は、本実施形態による磁気検出装置の構成を示す模式図である。図４は、本実施形態による磁気検出装置における一部断面図である。
本実施形態では、第１の実施形態によるホール素子を用いた磁気検出装置を開示する。
図３は、本実施形態による磁気検出装置の構成を示す模式図である。図４は、本実施形態による磁気検出装置における一部断面図である。
本実施形態による磁気検出装置は、図３に示すように、第１の実施形態によるホール素子１と、直流電源２と、各種の機能素子を含む差動増幅器３と、Ａ／Ｄコンバータ４とを備えて構成されている。ここで、磁束は図３の面に垂直方向に加わる。
直流電源２は、電極１４ａ〜１４ｄのうち、一方の一組の電極１４ａ，１４ｂに接続されており、定電圧をチャネル領域１３に印加する。
差動増幅器３は、ＣＭＯＳトランジスタ等を備えており、電極１４ａ〜１４ｄのうち、他方の一組の電極１４ｃ，１４ｄに接続されている。
Ａ／Ｄコンバータ４は、差動増幅器３から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換し、出力端子ａ0〜ａ3から出力する。これにより、各種のデータ処理が可能となる。
差動増幅器３は、ＣＭＯＳトランジスタ等を備えており、電極１４ａ〜１４ｄのうち、他方の一組の電極１４ｃ，１４ｄに接続されている。
Ａ／Ｄコンバータ４は、差動増幅器３から出力されたアナログ信号をディジタル信号に変換し、出力端子ａ0〜ａ3から出力する。これにより、各種のデータ処理が可能となる。
本実施形態による磁気検出装置は、同一基板上にモノリシック集積化されている。
図４に、磁気検出装置の構成要素のうち、ホール素子１と、機能素子として差動増幅器３のＣＭＯＳトランジスタの一方のＭＯＳトランジスタ５とを示す。
図４に、磁気検出装置の構成要素のうち、ホール素子１と、機能素子として差動増幅器３のＣＭＯＳトランジスタの一方のＭＯＳトランジスタ５とを示す。
ＭＯＳトランジスタ５は、シリコン基板１１の活性領域にゲート絶縁膜５ｄを介したゲート電極５ａ、ソース電極５ｂ、ドレイン電極５ｃを備えて構成されている。
ＭＯＳトランジスタ５を覆うように、層間絶縁膜として絶縁層１２が形成されており、絶縁層１２上に第１の実施形態で説明したホール素子１が形成されている。ホール素子１上には、層間絶縁膜として絶縁層１５が形成されており、絶縁層１２，１５には、ソース電極５ｂ、ドレイン電極５ｃ、電極１４ａ〜１４ｄ等を適宜電気的に接続する配線層１６が形成されている。なお、更に層間絶縁膜を積層し、配線層を多層に形成して多層配線構造としても良い。
ＭＯＳトランジスタ５を覆うように、層間絶縁膜として絶縁層１２が形成されており、絶縁層１２上に第１の実施形態で説明したホール素子１が形成されている。ホール素子１上には、層間絶縁膜として絶縁層１５が形成されており、絶縁層１２，１５には、ソース電極５ｂ、ドレイン電極５ｃ、電極１４ａ〜１４ｄ等を適宜電気的に接続する配線層１６が形成されている。なお、更に層間絶縁膜を積層し、配線層を多層に形成して多層配線構造としても良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態によるホール素子１を用いてモノリシック集積化した付加価値の高い磁気検出装置が実現する。
なお、本実施形態では、モノリシック集積化する基板としてシリコン基板を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、フレキシブル基板上にホール素子１を形成し、シリコン薄膜トランジスタ（Ｓｉ−ＴＦＴ）、或いはペンタセンに代表される各種有機材料をチャネルとしたトランジスタとモノリシック集積化を行うことも可能である。
以下、ホール素子及びその製造方法、並びに磁気検出装置の諸態様を付記としてまとめて記載する。
（付記１）グラファイトからなるチャネルと、
前記チャネルに接続された電極と
を含むことを特徴とするホール素子。
前記チャネルに接続された電極と
を含むことを特徴とするホール素子。
（付記２）前記グラファイトは、１原子層〜１０原子層の薄膜であることを特徴とする付記１に記載のホール素子。
（付記３）前記グラファイトは、半導体又は絶縁体上に形成されることを特徴とする付記１又は２に記載のホール素子。
（付記４）基体上に、グラファイトからなるチャネルを形成する工程と、
前記チャネルに接続される電極を形成する工程と
を含むことを特徴とするホール素子の製造方法。
前記チャネルに接続される電極を形成する工程と
を含むことを特徴とするホール素子の製造方法。
（付記５）前記チャネルを形成する工程において、前記グラファイトを合成した後、前記グラファイトを前記基体上に転写することを特徴とする付記４に記載のホール素子の製造方法。
（付記６）前記グラファイトは、１原子層〜１０原子層の薄膜であることを特徴とする付記４又は５に記載のホール素子の製造方法。
（付記７）前記基体は、半導体又は絶縁体からなることを特徴とする付記４〜６のいずれか１項に記載のホール素子の製造方法。
（付記８）基板と、
前記基板の上方に形成された機能素子と、
前記基板の上方に形成されたホール素子と
前記機能素子と前記ホール素子とを電気的に接続する配線と
を備え、
前記ホール素子は、
グラファイトからなるチャネルと、
前記チャネルに接続された電極と
を含むことを特徴とする磁気検出装置。
前記基板の上方に形成された機能素子と、
前記基板の上方に形成されたホール素子と
前記機能素子と前記ホール素子とを電気的に接続する配線と
を備え、
前記ホール素子は、
グラファイトからなるチャネルと、
前記チャネルに接続された電極と
を含むことを特徴とする磁気検出装置。
（付記９）前記グラファイトは、１原子層〜１０原子層の薄膜であることを特徴とする付記８に記載の磁気検出装置。
（付記１０）前記ホール素子は、前記基板の上方の層間絶縁膜上に形成されることを特徴とする付記８又は９に記載の磁気検出装置。
１ ホール素子
２ 直流電源
３ 差動増幅器
４ Ａ／Ｄコンバータ
５ ＭＯＳトランジスタ
５ａ ゲート電極
５ｂ ソース電極
５ｃ ドレイン電極
５ｄ ゲート絶縁膜
１１ シリコン基板
１２，１５ 絶縁層
１３ チャネル領域
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 端部
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 電極
１６ 配線層
ａ0〜ａ3 出力端子
２ 直流電源
３ 差動増幅器
４ Ａ／Ｄコンバータ
５ ＭＯＳトランジスタ
５ａ ゲート電極
５ｂ ソース電極
５ｃ ドレイン電極
５ｄ ゲート絶縁膜
１１ シリコン基板
１２，１５ 絶縁層
１３ チャネル領域
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 端部
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 電極
１６ 配線層
ａ0〜ａ3 出力端子
Claims (2)
- 基板と、
前記基板の上方に形成された機能素子と、
前記基板の上方に形成されたホール素子と、
前記機能素子と前記ホール素子とを電気的に接続する配線と
を備え、
前記ホール素子は、
グラファイトからなるチャネルと、
前記チャネルに接続された電極と
を含み、
前記機能素子と前記ホール素子とは、同一の前記基板の水平面内に並んで配置されており、
前記機能素子は前記基板上の第１絶縁膜内に、前記ホール素子は前記第１絶縁膜上の第２絶縁膜内に、それぞれ設けられていることを特徴とする磁気検出装置。 - 前記グラファイトは、１原子層〜１０原子層の薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気検出装置。
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