JP6831627B2 - 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型半導体基板１の表面に形成する。ホール素子２とＰ型半導体基板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２０１２−４７７０８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、磁性体の保磁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で印加することができず、誘磁率が高く、保磁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磁気センサの製造方法とした。
シリコン基板上にホール素子や回路を形成する工程において、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、前記磁気収束板フォルダに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することを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が小さくすることができる。また、回路形成と同時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、高温のアニールが可能となるため、高誘磁率で低保磁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。

本発明に係る磁気センサの製造方法を説明するための主要部分の工程順の断面図である。 磁気収束板のめっきによる従来の形成方法を説明するための主要部分の工程順の断面図である。 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。

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は本発明に係る実施形態である磁気センサの製造方法を説明するための主要部分の工程順の断面図である。
まず、図１（Ａ）に示すように、Ｐ型半導体基板１の表面にホール素子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。本実施形態においては、ホール素子２は一対であり、1つずつ離間して配置される。一対のホール素子２を離間している領域を離間領域５と呼ぶ。

続いて、図１（Ｂ）に示すように、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形成したＰ型半導体基板１の上にはポリイミドなどの絶縁体の保護膜３を形成する。この保護膜３の膜厚は１０ｕｍ〜３０ｕｍ程度であることが望ましい。保護膜３は、上方に配置する磁気収束板の応力を緩和する目的もあるが、膜厚が厚くなりすぎると、ホール素子２からの距離が大きくなるので水平磁場感度が低下する。

次に、図１（Ｃ）に示すように、絶縁体の保護膜３をエッチングすることにより、凹形状の磁気収束板フォルダ３Ａを離間領域５からホール素子２にかけて形成する。このとき、磁気収束板フォルダ３Ａは保護膜の膜厚の１／２程度までエッチングして形成することが望ましい。また、磁気収束板フォルダ３Ａは磁気収束板１０と同じ大きさで形成し、磁気収束板フォルダ３Ａのエッジがホール素子上に掛かるようにすることが望ましい。エッチングはＰ型半導体基板１のＰａｄ開口部を形成するのと同様の工程にて実施することができる。
磁気収束板は半導体製造プロセスとは別の独立した工程において、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ことで製造する。

パーマロイやスーパーマロイなどの低保磁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磁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、高温でアニールすることが好ましいが、半導体基板上にめっきにより作製する場合においてはこのアニール処理ができないため、より性能の良い軟磁性体の磁気収束板を作製することはできない。これに対し、本発明のように半導体基板と独立して磁気収束板を形成する場合は高温アニールの半導体基板への影響を考慮する必要が無い。ちなみに、本発明における磁気収束板１０の形成においては８００〜１０００℃の高温アニールを施す。

また、磁気収束板１０は磁気収束板フォルダ３Ａに合わせて同じ形状に加工し、無理なく配置できることが望ましい。薄膜から加工することが望ましく、レーザー加工や金型を用いることにより大量に加工が可能である。
また、磁気収束板１０の膜厚は３０〜５０ｕｍ程度であることが望ましい。

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３Ａ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。

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。さらに磁気収束板と磁気収束板フォルダ３Ａ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できるだけ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３Ａ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３Ａ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３Ａ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３Ａ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３Ａ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３Ａ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。

そして、図１（Ｄ）に示すように、加工した磁気収束板１０を、磁気収束板フォルダ３Ａを形成した磁気センサチップに張り付ける。磁気収束板１０を張り付ける際には絶縁性の接着剤を磁気収束板フォルダ３Ａ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３Ａ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を張り付けても十分実装が可能となる。保護膜３の厚さにより、磁気収束板１０が保護膜３の表面から出っ張ることも有れば、磁気収束板１０が磁気収束板フォルダ３Ａの中に完全に納まることもある。

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を小さくすることができる。また、回路形成と同時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、工程の増加がなく、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、高温のアニールが可能となるため、高誘磁率で低保磁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。

１ Ｐ型半導体基板
２ ホール素子
３ 保護膜
３Ａ 磁気収束板フォルダ
５ 離間領域
１０ 磁気収束板
１１ 下地導電層
２０ レジスト

Claims (8)

1. 半導体基板の表面に設けられたホール素子と、前記ホール素子上に保護膜を介して設けられた磁気収束板を備える磁気センサの製造方法であって、
   前記ホール素子上に保護膜を形成する工程と、
   前記保護膜を部分的に除去して、前記磁気収束板と同じ形状及び大きさを有する凹形状の磁気収束板フォルダを形成する工程と、
   前記磁気収束板フォルダを形成した前記半導体基板におけるプロセスとは別の独立した工程で、薄膜状の前記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、
   前記高温アニールした前記磁気収束板を前記磁気収束板フォルダに挿入し固定する工程と、
   からな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８００〜１０００℃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. 前記高温アニールした前記磁気収束板は、前記磁気収束板を法線方向から見たときの平面視において円、正方形、もしくは十字型等の４回回転軸を有する形状に加工され、さらに外周の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. 前記高温アニールし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または請求項２または請求項３記載の磁気センサの製造方法。
5. 磁気収束板を備える磁気センサであって、
   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、
   前記離間領域から前記一対のホール素子のそれぞれにかけて、前記保護膜に部分的に設けられ、前記磁気収束板と同じ形状及び大きさを有する凹形状の磁気収束板フォルダと、
   前記磁気収束板フォルダの凹形状に合わせて配置された薄膜状の磁気収束板と、
   を有する磁気センサ。
6. 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請求項５記載の磁気センサ。
7. 前記フォルダは、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記載の磁気センサ。
8. 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記載の磁気センサ。

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