JP6632373B2 - 磁気センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気収束板を備え、垂直及び水平方向の磁界を検知する磁気センサおよびその製造方法に関する。

ホール素子は磁気センサとして非接触での位置検知や角度検知が可能であることから様々な応用によく用いられる。
まず、ホール素子の磁気検出原理について説明する。物質中に流れる電流に対して垂直な磁界を印加するとその電流と磁界の双方に対して垂直な方向に電界(ホール電圧)が生じる。そのため、一般的なホール素子は、基板(ウェハ)表面に電流を流して、垂直な磁界成分を検出する。

さらに、高透磁率を有する材料で作成した磁性体薄膜と組み合わせ、磁性体薄膜を磁束の向きを変えてホール素子へと導く磁気収束板として利用することにより、垂直方向磁界だけでなく、水平方向磁界を検出することが可能となることが知られている。

縦磁場感度と横磁場感度の比が揃ったばらつきの小さい磁気センサを実現するためには、ホール素子と磁気収束板の位置関係が重要であるとされている（例えば、特許文献１参照）。

磁気収束板の位置ばらつきの影響による磁気特性ばらつきを小さくするため、予めホール素子と回路が形成されたＳｉ基板の上にフォトリソグラフィーなどの手法を使って磁気収束板をパターニングしたり、磁気収束板をめっきにより形成したりする方法がある（例えば、特許文献２参照）。図２を用いて一例を簡単に説明する。

まず、図２（Ａ）に示すように、１対のホール素子２を、間隔をあけてＰ型の半導体基板１の表面に形成する。ホール素子２とＰ型の半導体基板１の表面にはポリイミドなどの絶縁体の保護膜３を形成する。

続いて、図２（Ｂ）に示すように、磁気収束板の下地導電層１１を絶縁体の保護膜３上に形成する。
次に、図２（Ｃ）に示すように、レジストを下地導電層１１の上に塗布し、磁気収束板を形成する領域のレジストを除去する。

そして、図２（Ｄ）に示すように、メッキにより、レジストが除去された領域に、磁気収束板を形成する。
最後に、図２（Ｅ）に示すように、残っているレジストを除去することで、所望の領域に磁気収束板を形成することができる。

また、ホール素子と回路が形成されたＳｉ基板の上に磁気収束板の位置合わせをするための構造物を配置し、位置合わせの精度向上をしてばらつきを小さくする方法もある（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１２−０４７７０８号公報 特開２０１２−１５１２８５号公報 特開２００３−１３０９３６号公報

めっきやスパッタにより磁気収束板を形成した場合、磁性体の保持力低減や高誘磁率を実現するためには一般的に、キュリー点以上の高温でアニールする必要がある。しかしながら、ホール素子や回路形成後にこのような高温を印加することができず、誘磁率が高く、保持力が小さい磁気収束板にすることが難しい。

また、磁気収束板の位置合わせのための構造物を配置する場合においては、位置合わせ用の構造物の形成や磁気収束板配置後の構造物の除去等、工程が増加するといった難点がある。

本発明は、高誘磁率でかつ保磁力の小さい磁気収束板をホール素子や回路を形成した基板上に位置ばらつきを小さく配置かつ作業工程の増加を抑制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する。

上記の課題を解決するため、本発明は以下のような構成をした。
ホール素子や回路等から成る半導体基板を配置するパッケージのダイパッドに磁気収束板と同じ形状及び大きさに凹んだパターン、すなわち磁気収束板フォルダを形成し、ホール素子や回路を形成したシリコン基板とは別の工程で作製した磁気収束板を挿入し、その上方にすることをホール素子や回路等から成る半導体基板を配置特徴とする磁気センサの製造方法とした。

上記手段を用いることにより、磁気収束板の位置ばらつきが抑制され、磁気特性のばらつきを小さくすることができる。また、パッケージのダイパッドに磁気収束板の位置合わせ用磁気収束板フォルダを形成するため、工程の増加なく、製造コストを抑制することができる。また、磁気収束板と回路を別の工程で作製することにより、磁性体膜形成後、高温熱処理が可能となるため、高誘磁率で低保持力の磁気収束板を作成でき、より高感度高精度の磁気センサが実現できる。
また、ウェハ裏面側に磁気収束板が配置されることにより応力によるオフセット電圧の増大を抑制された磁気センサが実現できる。

本発明の実施形態である磁気センサの製造方法に関する断面図である。 従来のめっきによる磁気収束板形成方法に関する説明図である。 本発明の磁気収束板および磁気収束板フォルダに関する平面図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態を表す磁気センサの製造方法に関する断面図である。
まず、図１（Ａ）に示すように、Ｐ型の半導体基板１にホール素子２を含む磁気センサを構成する半導体回路を通常の半導体製造プロセスにより形成する。ホール素子２は、正方形もしくは十字型の４回回転軸を有する垂直磁界感受部と、その各頂点及び端部に同一形状の表面ｎ型高濃度不純物領域の垂直磁界検出制御電流入力端子及び垂直磁界ホール電圧出力端子を有する横型ホール素子である。半導体基板１の表面にはホール素子２を一対以上形成する。なお、ホール素子２を含む磁気センサを構成する半導体回路が形成された半導体基板１の表面にはポリイミドなどの絶縁体からなる保護膜３が形成されている。この後、磁気センサが形成された半導体基板１は個片化され、半導体チップとなる。

次に、パッケージのダイパッド１００について図１（Ｂ）を用いて説明する。パッケージのダイパッド１００は磁気センサが設けられた個片化された半導体基板１と同程度の平面サイズを有し、磁気収束板１０を配置する位置に、磁気収束板１０と同じ形状およびサイズを有する凹んだパターンである磁気収束板フォルダ１００Ａが形成されている。磁気収束板フォルダ１００Ａは、例えば矩形あるいは円形の凹部となっている。この凹部に磁気収束板１０を収納すると、ダイパッド１００の表面高さと磁気収束板１０の表面高さは同一となるように凹部の深さと磁気収束板の厚さは調節してある。磁気収束板フォルダ１００Ａの断面形状に磁気収束板１０の断面形状がちょうど収まるといっても良い。このとき、半導体基板１に形成されたホール素子２が磁気収束板１０のエッジ付近に来るような位置に磁気収束板フォルダ１００Ａを形成することが望ましい。パッケージのダイパッド１００は樹脂あるいはセラミックなどの絶縁体により作製する。パッケージのダイパッド１００は、金型により形成するため、金型に磁気収束板フォルダパターンを形成しておけば、パッケージダイパッド形成時に追加の工程は不要である。

図３は、本発明に係る磁気収束板および磁気収束板フォルダに関する平面図である。図示するように、磁気収束板１０は、円、正方形、もしくは十字型等の４回回転軸を有する平面形状であり、外周の１か所もしくは複数個所に磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部を有している。さらに、磁気収束板フォルダ１００Ａも磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部に合わせて同形状とすることで無理なく磁気収束板を収納することができる。一般に薄膜状の磁気収束板は磁気異方性を有するので、磁気収束板の回転方向の位置を揃えることにより、磁気収束板の結晶方向が揃えられ、磁気異方性による磁気特性のばらつきを抑制し、特性ばらつきの小さい磁気センサとなる。なお、図３においては説明のためにホール素子２と磁気収束板１０の間に存在する半導体基板１は透明としており、描いていない。

また、磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部は、ホール素子２の磁気特性に影響を与えないように磁気収束板の大きさに比べ小さく形成することが好ましい。さらに磁気収束板１０と磁気収束板フォルダ１００Ａを形成した磁気センサチップを張り付けた際、磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部がホール素子の磁気特性に影響を与えないようにするため、ホール素子２から磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部が大きく離れるように、磁気収束板フォルダ３Ａ及び磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部の位置を設計することが望ましい。

因みに、図３（Ａ）の磁気収束板１０および磁気収束板フォルダ１００Ａはオリエンテーションフラットと類似する、円形の一部を円の接線と平行に切り欠くことによって形成される直線（弦）部１０Ａを有する円形状となっている。図３（Ｂ）の磁気収束板１０および磁気収束板フォルダ１００Ａは凹部（ノッチ）１０Ｂを有する円形状、図３（Ｃ）の磁気収束板１０および磁気収束板フォルダ１００Ａは凸部１０Ｃを有する円形状、図３（Ｄ）の磁気収束板１０および磁気収束板フォルダ１００Ａは複数の凸部１０Ｄを有する円形状、図３（Ｅ）の磁気収束板１０および磁気収束板フォルダ１００Ａは角部が欠けた部１０Ｅを有する十字型、図３（Ｆ）の磁気収束板１０および磁気収束板フォルダ１００Ａはオリエンテーションフラットと類似する、円形の一部を円の接線と平行に切り欠くことによって形成される直線（弦）部１０Ｆを有するドーナツ形状である。

磁気収束板は半導体製造プロセスとは独立してめっき等により薄膜を作製し、それを磁気収束板の形状に加工する。
パーマロイやスーパーマロイなどの低保持力で高透磁率を持つ軟磁性体材料で作製することが望ましい。ここでめっき等により低保持力で高透磁率を持つ軟磁性体薄膜を作製する場合にはめっき後に水素雰囲気中で８００〜１２００℃の温度において高温アニール（焼鈍）による処理をする必要がある。半導体基板上にめっきする場合においてはこのアニール処理を施すことができないため、より性能の良い軟磁性体の磁気収束板を作製することが困難である。

また、磁気収束板１０は円または正方形で磁気収束板フォルダ１００Ａと同じ形状に加工する。大量に加工が可能となるよう、レーザー加工や金型を用いることにより薄膜から加工することが望ましい。磁気収束板１０の膜厚は３０〜５０ｕｍ程度であることが望ましい。次に、加工した磁気収束板１０を磁気収束板フォルダ１００Ａが形成されたパッケージダイパッド１００に貼り付ける。磁気収束板１０を貼り付ける際には絶縁性の接着剤を磁気収束板フォルダ１００Ａに滴下して貼り付けることが望ましい。この貼り付けの際には、磁気収束板フォルダ１００Ａを形成したことにより位置合わせ精度が向上し、チップボンダーを用いて磁気収束板１０を貼り付けても十分実装が可能となる。

ホール素子や制御回路が形成された半導体基板１は磁気収束板との距離を近接させるため１５０ｕｍ程度までバックグラインドにより薄くしておく。
その後、図１（Ｃ）に示すように、半導体基板１裏面を磁気収束板１０が実装されたパッケージのダイパッド１００表面に実装（貼り付け）する。半導体基板１の表面に実装する場合に比べ、磁気収束板１０との距離が大きくなるが、磁気特性が向上した磁気収束板１０が実現されるため、磁気感度は維持される。また、半導体基板１の裏面側に磁気収束板１０が配置されることにより、半導体基板１の表面に実装した場合に比べ、磁気収束板１０の応力の影響を大きく抑制できるため、オフセット電圧を抑制することが可能である。

ホール素子２は半導体基板１の表面から５ｕｍ程度の深さに形成されるため、半導体基板１の厚さは２０ｕｍ程度まで薄くしてもよく、この場合はホール素子２と磁気収束板１０との距離が小さくなり磁気特性が更に向上する。

以上のように、高温アニールした磁気収束板を準備し、凹部である磁気収束板フォルダを形成したダイパッドの凹部に磁気収束板を収納し、これにホール素子を形成し、薄くした半導体基板を貼り付けることで磁気センサを製造することができる。

上記手段を用いることにより、磁気収束板１０の位置ばらつきが抑制され、磁気特性のばらつきが小さくすることができる。また、パッケージダイパッドに磁気収束板の位置合わせ用磁気収束板フォルダを形成するため、工程の増加なく、製造コストを抑制しつつ、磁気特性のばらつきを小さくすることができる。また、磁気収束板と回路を別の工程で作製することにより、磁性体膜形成後、高温の焼鈍処理が可能となるため、高誘磁率で低保持力の磁気収束板を作成でき、より高感度高精度の磁気センサが実現できる。
さらに、半導体基板の裏面に磁気収束板が配置されることによりオフセット電圧を抑制することができる。

１ Ｐ型の半導体基板
２ ホール素子
３ 保護膜
１０ 磁気収束板
１１ 下地導電層
２０ レジスト
１００ ダイパッド
１００Ａ 磁気収束板フォルダ

Claims (9)

1. 磁気収束板を備えた磁気センサの製造方法であって、
   ホール素子を表面に設けた半導体基板を用意する工程と、
   磁気収束板を形成し、前記磁気収束板を高温アニールする工程と、
   凹形状の磁気収束板フォルダを備えたダイパッドを形成する工程と、
   前記磁気収束板を前記磁気収束板フォルダに収納する工程と、
   前記ダイパッドおよび前記磁気収束板の表面に前記半導体基板の裏面を貼り付ける工程と、
   を有し、
   前記磁気収束板は、外周の1か所もしくは複数個所に磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部が形成されていることを特徴とする磁気センサの製造方法。
2. 前記高温アニールする工程における処理温度が８００〜１２００℃であることを特徴とする請求項１記載の磁気センサの製造方法。
3. 前記磁気収束板は、前記磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部を除いて、平面視において、円もしくは正方形を含む４回回転軸を有する形状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の磁気センサの製造方法。
4. 前記高温アニールされた前記磁気収束板を法線方向から見たときの平面視形状を、前記磁気収束板フォルダを法線方向から見たときの平面視形状に合わせて同じ形状に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気センサの製造方法。
5. 前記高温アニールされた磁気収束板を法線方向と直交する方向から見たときの断面形状は、前記磁気収束板フォルダを法線方向と直交する方向から見たときの断面形状に合わせて同じ形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の磁気センサの製造方法。
6. 半導体基板と、
   前記半導体基板表面に離間領域を介して離間して配置された一対のホール素子と、
   前記一対のホール素子を覆って、前記半導体基板の上に設けられた保護膜と、
   前記半導体基板の裏面において、前記離間領域から前記一対のホール素子のそれぞれにかかるように貼り付けられた、前記裏面との間に凹部を備えた磁気収束板フォルダを有するダイパッドと、
   前記磁気収束板フォルダの前記凹部の形状に合わせて配置された磁気収束板と、
   を有し、
   前記磁気収束板は、外周の1か所もしくは複数個所に磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部を有することを特徴とする磁気センサ。
7. 前記磁気収束板は、８００〜１２００℃の高温アニールが施されている軟磁性体材料であることを特徴とする請求項６記載の磁気センサ。
8. 前記磁気収束板フォルダは、前記磁気収束板に設けられた前記磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部に合わせて設けられた同型の凸部または凹部を有する請求項６又は７記載の磁気センサ。
9. 前記磁気収束板回転方向位置合わせ用の凹部または凸部は前記収束板の磁気異方性の方向を示している請求項６乃至８のいずれか１項記載の磁気センサ。

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