JPH04302406A

JPH04302406A - 磁気センサ

Info

Publication number: JPH04302406A
Application number: JP3091468A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nakamura; 中村哲郎; Shoji Kawahito; 川人祥二; Makoto Ishida; 誠石田
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1992-10-26
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JP3093813B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板を用いた磁
気センサに関し、より詳細には、高感度な磁気センサを
可能にする立体構造ソレノイドと、更には、高感度な磁
気検出素子並びに多次元磁界検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】現在の
集積回路は、シリコン等の半導体基板上に作られ、殆ど
の場合、トランジスタを始めとする能動素子と受動素子
として抵抗、コンデンサを用いて構成されている。もう
一つの受動素子であるインダクタは、マイクロ波用アナ
ログＩＣなどの特殊なＩＣで用いられている。また、最
近では、薄膜インダクタや薄膜トランスと呼ばれるもの
が、集積回路用受動素子として研究されている。このよ
うなインダクタ素子は、すべて平面構造の素子であり、
漏れ磁束が大きいなどの問題点もあり、実用化に対して
は疑問視されている向きもある。

【０００３】一方、ホール効果を利用した多次元磁界検
出用半導体装置として、従来より、横型ホール素子と縦
型ホール素子を同一の半導体基板上に集積回路と共に実
現するものが研究されているが、縦型ホール素子と横型
ホール素子の特性が大きく異なるため、感度の低い縦型
ホール素子によって、全体として感度が制限されてしま
う問題があった。

【０００４】本発明の目的は、上記のソレノイドに関す
る従来技術の欠点を解消して、立体的な構造のソレノイ
ドを提供することを目的とするものである。

【０００５】本発明の他の目的は、上記の多次元磁気セ
ンサに関する従来技術の欠点を解消して、高感度な磁気
検出素子を提供することを目的とするものである。

【０００６】本発明の他の目的は、上記の多次元磁気セ
ンサに関する従来技術の欠点を解消して、高感度な多次
元磁気センサを提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
、本発明者は、半導体基板を用いた立体的な構造のソレ
ノイドの構成について研究を重ねると共に、半導体基板
を用いた磁気検出素子並びにこれを利用した高感度な多
次元磁気センサを可能にする手段について種々研究を重
ねた結果、ここに本発明をなしたものである。

【０００８】すなわち、本発明は、半導体基板の表面に
深い溝を設けると共に各溝の表層部に下層配線が形成さ
れており、一方、該半導体基板の上側に上層配線が形成
されており、かつ、下層配線と上層配線がスルーホール
を介して接続されて、螺旋状のソレノイドを形成してい
ることを特徴とする半導体基板を用いた立体構造ソレノ
イドを要旨とするものである。

【０００９】また、他の本発明は、前記深い溝の空洞に
強磁性材料を埋め込んで、１次元磁気検出素子を構成し
たことを特徴とするものである。

【００１０】更に、他の本発明は、この１次元磁気検出
素子をウェハ面上で直交するように配置して、２次元磁
界検出装置を構成したことを特徴とするものである。

【００１１】更に、他の本発明は、半導体基板の表面に
斜面を有するＶ型の溝が形成されており、斜面上に１次
元磁気検出素子が形成されていることを特徴とする多次
元磁界検出装置を要旨とするものである。

【００１２】更に、他の本発明は、この多次元磁界検出
装置において、１次元磁気検出素子として、ホール型素
子と前記立体構造ソレノイドを直交するように配置して
、磁束帰還型多次元磁気検出装置を構成したことを特徴
とするものである。

【００１３】以下に本発明を更に詳述する。

【００１４】

【実施例１】まず、ソレノイドに係る本発明は、要する
に、ソレノイドは十分大きな断面積を必要とするのに鑑
みて、半導体基板に深い溝を形成した点を最も大きな特
徴としている。この立体構造ソレノイドはインダクタ素
子、トランス、磁気検出素子、磁界検出素子などとして
利用できる。

【００１５】立体構造ソレノイドの構成の一例（基板接
合型）を図面を用いて説明する。図１はその断面構造を
示し、図２はその平面構造を示している。

【００１６】まず、下側基板１として半導体基板を使用
する。半導体基板としては種々のものを使用できる。そ
して、ソレノイドでは十分大きな断面積を必要とするた
め、下側の半導体基板に深い溝２を形成する。このよう
な溝の形成方法としては、各種のエッチング技術を利用
できるが、その後の配線形成のためには適当な角度を持
った斜面を形成するのが望ましく、この意味では、〈１
００〉面方位の単結晶半導体基板を用いて、（１００）
面と（１１１）面のエッチング速度の違いを利用した結
晶異方性エッチングが有効である。なお、深い溝の空洞
はそのままでも、或いは強磁性体、高透磁率材料等の磁
性材料を埋め込むことも可能である。磁性材料を埋め込
むには、上側基板を接合する前に埋め込む。

【００１７】その後、溝の表層部に、下層配線３を形成
する。このような配線としては、拡散層、多結晶シリコ
ン、各種の高融点金属（Ｗ、Ｍｏ等）などを利用できる
。配線を形成するためのリソグラフィとしては、立体的
な構造上へのリソグラフィであるため、電子ビーム等を
利用した直接描画法が有効である。

【００１８】下層配線の形成後は、溝のある面上に、別
の基板４を接合する。接合する基板としては、半導体基
板やガラス基板などを用いる。接合した基板を適当な厚
さまで薄くし、その上に上層配線５を形成する。上層の
配線としてはアルミニウム等の金属薄膜を用いるのがよ
い。

【００１９】上層配線３と下層配線５を接続するが、そ
のためには、上層配線の形成前にスルーホールと呼ばれ
る穴６を上側基板に形成する。上層配線と下層配線を図
２に示すように接続することによって、螺旋状の立体構
造ソレノイドが形成される。このようなソレノイドは、
半導体基板上に作られるので、半導体集積回路と共に作
成できる。

【００２０】なお、上述の基板接合型に代えて、上側基
板を用いない非接合型の態様も可能である。この場合は
、前記溝の空洞内にポリイミドなどの樹脂を埋め込み、
その上側に上層配線を形成する。

【００２１】

【実施例２】図１において、深い溝の空洞２に、特に強
磁性体を埋め込むことにより、１次元磁気検出素子とす
ることができる。

【００２２】

【実施例３】従来、プレーナ技術により平面的なコイル
を磁性薄膜を用いて実現する方法が提案されている。し
かしながら、この場合には、原理的に１次元の磁界しか
検出できない。これに対して、図３に示すように、実施
例２の１次元磁気検出素子７をウェハ上で直交するよう
に配置することにより、２次元磁界検出装置とすること
ができる。強磁性体コアを用いた磁気検出法は、極めて
高感度であり、しかも、ウェハの面に平行な方向の磁界
に最大の感度を持つ立体型のソレノイドコイルは、２つ
のコイルを直交させて配置することにより、高感度な２
次元磁界検出が可能となる。強磁性体コアを用いた磁気
検出法は、コイルを交流で駆動して特定の周波数成分の
みを取り出す必要があるが、このような信号処理のため
の集積回路を同一基板上に構成できる。

【００２３】

【実施例４】図４は多次元磁界検出装置用半導体装置の
一例を示している。本例は２次元磁界検出用の場合の構
造である。

【００２４】まず、半導体基板１０にＶ型の溝１１を形
成することにより、基板の面に対して適当な角度をなす
２つの斜面を形成する。図示のように、２つの斜面と基
板の平面のなす角度をαとする。２つの斜面上にそれぞ
れ１次元磁気検出素子１２を形成する。この１次元磁気
検出素子としては、基板上にｐ−ｎ接合で分離されたホ
ール素子、誘電体分離されたホール素子、ＭＯＳ（金属
絶縁物半導体）型ホール素子などが用いられる。また、
実施例２に示した構成の１次元磁気検出素子も使用でき
る。なお、Ｖ型溝の斜面に１次元磁気検出素子を形成す
る際、絶縁層（図中、右下りの斜線部分の層）を介さず
に直接、１次元磁気検出素子を形成してもよい。

【００２５】この１次元磁気検出素子の面に垂直な方向
の磁界が印加された場合の出力電圧をＶн０、基板の面
と垂直な方向と実際の磁界の方向とのなす角度をθとし
、このときの２つの素子の出力電圧をそれぞれＶн１、
Ｖн２とする。また、その感度をＳв［Ｖ／Ｔ］とする
と、磁束密度の絶対値Ｂ及びθは、

【数１】及び

【数２】のようになる。このように２つの合成出力により、２次
元磁界（ベクトル磁界）を検出する。図５は、この２次
元磁界検出用半導体装置を基板の面に垂直な方向から見
た図である。なお、

【００２６】更には、図５に示すようにＡ、Ｂの他の各
斜面にも１次元磁気検出用素子を設ければ、３次元磁界
を検出する半導体装置も、２次元磁界検出用の場合と同
様な原理により実現できる。

【００２７】このような多次元磁界検出用半導体装置を
従来方式と比較した場合、次のような特長がある。すな
わち、（１）すべての１次元磁気検出素子をほぼ同一の
特性とすることができる。この点、従来型の構造では、
縦型ホール素子と横型ホール素子の特性が大きく異なる
ため、多次元磁界検出用半導体装置の感度は、感度の低
い縦型ホール素子によって制限され、また各ホール素子
の出力感度を揃えるための補正が複雑であった。（２）
斜面上に形成した１次元磁気検出素子は、縦型ホール素
子よりも高感度である。したがって、これを用いて構成
した多次元磁界検出用半導体装置は、当然、従来のもの
よりも高感度なものとなる。

【００２８】なお、上述の磁界の絶対値Ｂ及び角度θ等
を演算するための信号処理用集積回路を、同一基板上に
形成することができる。これにより、高性能な集積化磁
気センサを実現できる。

【００２９】

【実施例５】図４に示したホール素子型２次元磁界検出
装置と、図１に示した立体構造ソレノイドを組み合わせ
て図６及び図７に示す構成にすることにより、磁束帰環
方式に基づく高感度な２次元磁気検出を行うことができ
る。

【００３０】１次元磁気検出の場合の原理を図８に示す
。この方式では、検出素子の出力を常にゼロに保つよう
磁束をフィードバックする。したがって、入力磁界を直
接測定する代わりに、フィードバック磁束を発生するた
めの駆動電圧を検出出力とする。単に磁気センサ出力を
増幅器で増幅するだけの方式では、センサや増幅器のオ
フセットやそのドリフトのために、増幅器のゲインをあ
まり大きくできない。このため、高感度化が困難である
が、磁束帰環方式においては、センサや増幅器のオフセ
ット及びそのドリフトを含めて、磁気のゼロ点検出を行
うため、増幅器のゲインを非常に大きく選ぶことができ
、高感度な磁気検出が行える。

【００３１】更には、図４に示した構成の２次元磁界検
出装置を、図９に示すように、直交させて同一の基板上
に構成すれば、３次元磁気検出も可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体基板に形成した深い溝を利用した新規な立体ソレ
ノイドを実現し得るので、インダクタ素子、トランス、
磁気検出素子、磁界検出素子などとして利用でき、多次
元磁界検出装置の実現も可能である。また、半導体基板
に形成したＶ型溝を利用した多次元磁界検出装置は、高
感度な多次元の磁界検出が可能となり、更には、立体構
造ソレノイドとの併用により、高感度な磁気検出が可能
となる。いずれも信号処理用集積回路を同一基板上に形
成できるので、高性能な集積化磁気センサを実現できる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】立体構造ソレノイドの一例を示す断面図である
。

【図２】図１に示す立体構造ソレノイドの平面図である
。

【図３】２次元磁界検出装置における１次元磁気検出素
子の配置を示す図である。

【図４】多次元磁界検出装置用半導体装置の一例である
２次元磁界検出用の場合の断面構造を示す図である。

【図５】図４に示す２次元磁界検出用半導体装置を基板
の面に垂直な方向から見た図である。

【図６】磁束帰環型２次元磁気検出装置における配置例
を説明する平面図である。

【図７】磁束帰環型２次元磁気検出装置における配置例
を説明する断面図である。

【図８】１次元磁気検出の場合の原理を説明する図であ
る。

【図９】磁束帰環型３次元磁気検出装置における配置例
を説明する図である。

【符号の説明】

１　　下側半導体基板１１　　Ｓｉ１２　　ＳｉＯ２２　　深い溝（空洞又は埋め込まれた磁性材料）３　　
下層配線４　　上側基板５　　上層配線６　　スルーホール７　　１次元磁気検出素子１０　　半導体基板１１　　Ｖ型溝１２　　１次元磁気検出素子１３　　導線１４　　導線２０　　２次元磁気検出装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　半導体基板の表面に深い溝を設けると
共に各溝の表層部に下層配線が形成されており、一方、
該半導体基板の上側に上層配線が形成されており、かつ
、下層配線と上層配線がスルーホールを介して接続され
て、螺旋状のソレノイドを形成していることを特徴とす
る半導体基板を用いた立体構造ソレノイド。
【請求項２】　　前記半導体基板の上側に他の基板が接
合された構造であって、該他の基板の表面に上層配線が
形成されている請求項１に記載の立体構造ソレノイド。
【請求項３】　　前記深い溝の空洞に磁性材料が埋め込
まれている請求項１に記載の立体構造ソレノイド。
【請求項４】　　請求項１に記載の深い溝の空洞に強磁
性材料が埋め込まれていることを特徴とする１次元磁気
検出素子。
【請求項５】　　請求項４に記載の１次元磁気検出素子
をウェハ面上で直交するように配置して、２次元磁界を
検出可能にしたことを特徴とする立体構造ソレノイドを
用いた２次元磁界検出装置。
【請求項６】　　半導体基板の表面に斜面を有するＶ型
の溝が形成されており、斜面上に１次元磁気検出素子が
形成されていることを特徴とする多次元磁界検出装置。
【請求項７】　　前記Ｖ型溝の斜面のうち、対向する１
対の２斜面に１次元磁気検出素子が形成されて、２次元
磁界を検出可能にした請求項６に記載の２次元磁界検出
装置。
【請求項８】　　前記Ｖ型溝の斜面のうち、対向する２
対の４斜面に１次元磁気検出素子が形成されて、３次元
磁界を検出可能にした請求項６に記載の３次元磁界検出
装置。
【請求項９】　　１次元磁気検出素子として、ホール型
素子を用いる請求項６、７又は８に記載の多次元磁界検
出装置。
【請求項１０】　　１次元磁気検出素子として、請求項
４に記載の立体構造ソレノイドを用いる請求項６、７又
は８に記載の多次元磁界検出装置。
【請求項１１】　　１次元磁気検出素子として、ホール
型素子と、請求項４に記載の立体構造ソレノイドを直交
するように配置した磁束帰還型多次元磁気検出装置。