JPH0439973A - 半導体磁気センサ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体磁気センサの高感度化技術に関する
。

〔従来技術〕

現在、最も良く用いられている磁気センサとしてはホー
ル素子があり、このホール素子を第５図に示す。第５図
において、５０ｏはキャリアの移動するペス領域であっ
て、このベース領域５００を挟んで両側に設けられたバ
イアス電極５０１５０２と、バイアス電極５０１，５０
２間にバイアスを印加するための定電圧源５ｏ３と、磁
気が印加されたときに生じる電位差を検出するための出
力端子５０４，５０５とから構成されている。

ここで、バイアス電極５０１．５０２間に定電圧源５０
３により定電圧ｖｏ印加した状態で、磁界Ｂを紙面に対
して垂直方向に印加すると、出力端子５０４．５０５間
に次式で表される電位差ｖＨが出力される。

ｖＨ＝　ＲＨ−ｋ　・μ・Ｌ／Ｗ−Ｂ−Ｖｏ　　−（１
）ここで、ＲＨはホール定数、ｋは形状ファクタ、μは
ベース領域の移動度、Ｌはバイアス電極５０１゜５０２
間の距離、Ｗはバイアス電極５０１　、５０２の幅であ
る。

一般に、ホール素子は、構造が簡単で感度制御が容易に
でき、定電流駆動により感度温度補償が容易にできると
いう利点がある反面、磁気検出の高感度化が離しいとい
う欠点を有している。すなわち、式（１）に示したよう
にＬ／Ｗを大きくすれば磁気検出の感度を上げられるが
、Ｌ／Ｗを一定値以上太き（すると形状ファクタｋが小
さくなってしまうために、磁気検出の感度を更に上げら
れない。

このため、高感度化が可能な従来の半導体磁気センサと
しては、例えば第６図に示したようなドリフト・ベース
のラテラルＰＮＰ）ランジスタ構造の半導体磁気センサ
があり、第７図は、第６図に示したＥ−Ｆ闇の断面図で
ある。第６図および第７図において、１はＰ形シリコン
基板、２はＰ形シリコン基板１上に形成されてＮ形エピ
タキシャル層である。このＮ形エピタキシャル層２内に
、半導体磁気センサを形成する領域とその他の領域（例
えば半導体磁気センサの出力を処理するセンサ出力部を
形成する領域）とを分離するためのＰ形素子分離拡散領
域３が形成されている。このＰ形素子分離拡散領域３に
囲まれたＮ形エピタキシャル層２内に、Ｐ形エミッタ領
域４．Ｐ形コレクタ領域５，６およびＮ形高濃度拡散領
域７，８が形成され、Ｎ形エピタキシャル層２表面にシ
リコン酸化膜１１が形成されている。また、シリコン酸
化膜１１上に、エミッタ電極１２．コレクタ電極１３．
１４およびベース電極１５．１６が形成され、コンタク
トホールな通してそれぞれＰ形エミッタ領域４．Ｐ形コ
レクタ領域５，６およびＮ形高濃度拡散領域７，８に接
続されている。

次に、従来の半導体磁気セ／すの磁気検出動作を第６図
および第７図を用いて説明する。

ベース電極１５には正の電圧を、ベース電極１６には負
の電圧を印加して、Ｎ形エピタキシャル層２中にベース
電極１５からベース電極１６へ、つまりエミッタ領域４
からコレクタ領域５，６の方向へ電界を発生させる。こ
の状態で、エミッタ電極１２に正の螺圧を印加すると、
Ｐ形エミッタ領域４を介してＮ形エピタキシャル層２中
に正孔が注入される。すると、正孔の一部はキャリアと
してドリフト電界で加速されてＰ形コレクタ領域５゜６
へ到達し、それぞれコレクタ電極１３．１４からコレク
タ電流ＩＱＩ　＋　工（２として出力される。コレクタ
電極１３．１４に接続されたセンサ出力部（図示はして
いない）は、コレクタ電流’Ｃ１ｗＩＣ２が入力される
と、次式で表されるセンサ出力Ｇを出力する。

Ｇ＝（Ｉｃｘ−ＩＣ２）／（ＩＣＩ　＋Ｉｃｚ）　−（
２）ここで、半導体磁気センサに磁界が印加されていな
い場合は、構造の対称性からコレクタ電流Ｉ（１”ｌ　
１ｒｃｚは等しくなり、センサ出力Ｇは零となる。また
、磁界が印加された場合は、Ｎ形エピタキシャル層２中
をドリフトで移動するキャリアは、磁界の印加により発
生したローレンツ力をうけて湾曲し、コレクタ電流工Ｃ
１＊　ＩＣ２に差が生じ、センサ出力部が磁界の強度に
応じたセンサ出力Ｇを出力する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のごとぎ従来の半導体磁気センサにあっては、磁気
検出の感度を上げるための方法として、エミッタ領域４
とコレクタ領域５，６との間の距離ｂ（第６図に示す）
を大きくする方法と、コレクタ領域５，６間の距離ａ（
第６図に示す）を小さ（する方法の２つがある。

しかしながら、エミッタ領域４とコレクタ領域５．６と
の間の距離すを大ぎくすると、移動の途中で電子と再結
合を起こして消滅するキャリアが増加し、コレクタ電流
ＩＣＩ　Ｉ　ＩＣ２が減少してＳ／Ｎ比が低下してしま
う。

また、コレクタ領域５，６間の距離ａを小さくした場合
、コレクタ領域５，６の幅Ｃ（第６図に示す）よりコレ
クタ領域５，６間の間隔ａを狭（しても、磁気検出の感
度を十分に上げることができない。何故なら、実際に出
力されるコレクタ電流”Ｃ１ｖ　”Ｃ２は、コレクタ領
域５，６に幅Ｃがあるだめに、コレクタ領域５，６のは
ぼ中心点におけるコレクタ電流にはぼ等しくなる。この
ため、磁気検出の感度は、「コレクタ領域５，６間の距
離ａ」に依存するのではなく、冥質的には「コレクタ領
域５，６の中心点間の距離」つまり「（コレクタ領域５
，６間の距離ａ）＋（コレクタ領域５．６０幅Ｃ）Ｊに
依存する。さらに、コレクタ領域５，６に幅Ｃは、コレ
クタ電極１３．１４とコンタクトを取る必要性があるた
めに、狭（するにも限界がある。

以上のような理由によって、従来の半導体磁気センサで
は、磁気検出の感度を十分に上げることができないとい
う問題点があった。

この発明は、上記のごとき問題点の解決を図るためにな
されたものであり、バイポーラ・トランジスター？ＣＭ
Ｏ８を製造するための通常の半導体製造プロセスを使用
し、磁気検出の感度を向上させた半導体磁気センサを提
供することを目的としている。

〔問題を解決するための手段〕

この発明は、上記のごとき目的を達成するためになされ
たもので、半導体磁気センサにエミッタ領域と一対のコ
レクタ領域の間の半導体基板内に一対のコレクタ領域を
結んだ線の中点とエミッタ領域とを結んだ中心線をはさ
んで一定の間隔をあけて対称に形成された一対の電気的
絶縁部を設け、エミッタ領域と一対のコレクタ領域の間
を移動するキャリアの通路を限定する構成とした。

〔作用〕

エミッタ領域と一対のコレクタ領域間に電気的絶縁部を
設けて、エミッタ領域からコレクタ領域へ移動するキャ
リアの通路を限定したために、磁気検出に寄与しないキ
ャリアを除去し、磁気検出に寄与するキャリアの割合を
上げることが可能となり、磁気検出の感度を上げること
ができる。

〔実施例〕

以下、具体的な実施例に基づいて説明する。

第１図は、この発明の第１の実施例を示す図であり、第
２図は、第１図のＡ−Ｂ間の断面図である。第１図およ
び第２図において、１はＰ形シリコン基板であって、Ｐ
形シリコン基板１上にはＮ形エピタキシャル層２が形成
され、Ｎ形エピタキシャル層２内に半導体磁気センサを
形成する領域とその他の領域とを分離するためのＰ形素
子分離拡散領域３が形成されている。このＰ形素子分離
拡散領域３に囲まれたＮ形エピタキシャル層２内には、
Ｐ形エミッタ領域４と、Ｐ形コレクタ領域５．６と、一
対のＮ形高濃度拡散領域７，８と、一対の電気的絶縁部
９．１０とが形成されている。

なお、一対のＰ形コレクタ領域５，６は、一定の間隔を
開けて対称に形成され、Ｐ形エミッタ領域４は、一対の
Ｐ形コレクタ領域５，６からの距離が等しくなる位置に
形成されている。

また、一対のＮ形高１１１１度拡散領域７，８は、Ｐ形
エミッタ領域４から一対のＰ形コレクタ領域５゜６の方
向に電界をかけられるようにＰ形エミッタ領域４および
一対のＰ形コレクタ領域５，６を挟んで向かい合うよう
に形成され、一対の電気的絶縁部９，１０は、Ｐ形エミ
ッタ領域４と一対のＰ形コレクタ領域５，６を結んだ線
の中点とを結んだ中心線を挟んで一定の間隔を開けて対
称に形成されている。

さらに、シリコン酸化膜１１は、Ｎ形エピタキシャル層
２懺面全体に形成されている。そのシリコン酸化膜１１
上に、エミッタ電極１２．コレクタ電極１３．１４およ
びベース電極１５．１６が形成され、シリコン酸化膜１
１に設けられたコンタクトホールを通してそれぞれＰ形
エミッタ領域４、Ｐ形コレクタ領域５，６およびＮ形高
濃度拡散領域７，８に接続されている。

次に、第１の実施例の製造方法を説明する。

■　通常のバイポーラ・プロセスと同様に、Ｐ形シリコ
ン基板１上にＮ形ンリコンをエピタキシャル成長させて
Ｎ形エピタキシャル層２を形成した後、高濃度のＰ形不
純物をＮ形エピタキシャル層２内へＰ形シリコン基板１
に到達する程度の深さに拡散させてＰ形素子分離拡散領
域３を形成する。

■　Ｐ形不純物をＮ形エピタキシャル層２内へ拡散させ
てＰ形エミッタ領域４およびＰ形コレクタ領域５，６を
形成し、高濃度のＮ形不純物をＮ形エピタキシャル層２
内に拡散させてＮ形高濃度拡散領域７，８を形成する。

■　Ｎ形エピタキシャル層２内に反応性イオン・エツチ
ング（ＲＩＥ）により一対の溝を形成してＮ形エピタキ
シャル層２表面を酸化してシリコン酸化膜１１を形成後
、ポリイミドを塗布し、気相成長法（ＣＶＤ法）により
ポリシリコンを堆積させるなどして溝の内部を光填する
ことにより電気的絶縁部９，１０を形成する。このとき
、電気的絶縁部９，１０間の距離ｄｘ　（第１図に示す
）は、Ｐ形コレクタ領域５，６間の距離ｄｚ（第１図に
示す）の３分の１から５分の１となるようにする。

■　シリコン酸化膜１１をエツチングすることにより、
Ｐ形エミッタ領域４．Ｐ形コレクタ領域５゜６一対のＮ
形高濃度拡散領域７，８上にコンタクトホールを形成し
、シリコン酸化膜１１表面にＡＩを蒸着し、パターンニ
ングを行なって、エミッタ電極１２．コレクタ電極１３
．１４およびベース電極１５．１６を形成する。

第１の実施例の動作を第１図および第２図に基づいて説
明する。

基本的には前述した従来例の動作と同じである。

すなわち、ベース電極１５には正の電圧を、ベース電極
１６には負の電圧を印加することによって、Ｎ形エピタ
キシャル層２中にベース電極１５からベース電極１６へ
、つまりエミッタ領域４からコレクタ領域５，６の方向
へ電界を発生させる。このように電界をかけた状態で、
エミッタ電極１２に正の電圧を印加すると、Ｐ形エミッ
タ領域４を介してＮ形エピタキシャル層２中に正孔が注
入される。すると、正孔の一部は、キャリアとしてドリ
フト電界で加速されてＰ形コレクタ領域５．６へ到達し
、それぞれコレクタ電極１３．１４からコレクタ電流Ｉ
ＣＩ　９　ＩＣ２として出力される。コレクタ電極１３
．１４に接続されたセンサ出力部（図示はしていない）
は、コレクタ電流■Ｃ１＋　ＩＣ２が入力されると、前
記の式（２）で表されるセンサ出力Ｇを出力する。

（１−ａ）半導体磁気センサに磁界が印加されていない
場合−構造の対称性からコレクタ電流ＸＣ１ｗＩｃ！は
等しくなり、センサ出力Ｇは零となる。このとき、キャ
リアの通路は、Ｎ形エピタキシャル層２内の電気的絶縁
部９，１０によって狭まれた部分に限定されるため、第
１図中に示したＣ−Ｄ部分のキャリアの分布は、第３図
に示すようになる。

（１−ｂ）半導体磁気センサに磁界が印加された場合＝
ＮＮ形ピタキシャル層２中をドリフトで移動するキャリ
アは、磁界の印加により発生したローレンツ力をうけて
湾曲してＣ−Ｄ部分のキャリアの分布が全体的に右側（
または左側）へ移動するために、コレクタを流■Ｃ１、
ＩＣ２に差が生じ、センサ出力部が磁界の強度に応じて
式（２）に示されるセンサ出力Ｇを出力する。このとぎ
、Ｃ−Ｄ部分のキャリアの分布が第３図に示したように
、センサ出力に寄与しないような周辺部を通過するキャ
リアが制限されており、セ／す出力に寄与するような中
心部を通過するキャリアの割合（エミッタ領域４からコ
レクタ領域５，６方向へ移動するキャリア全体に対する
割合）が増加しており、コレクタ電流Ｉｃ１．Ｉｃ２の
変化する割合が大きくなる。

このために、現実的なエミッターコレクタ間隔（４０〜
５０μｍ）において磁気検出の感匿を極めて高くするこ
とができる。

また、前述したように、第１の実施例に示した構造の半
導体磁気センサは、通常のバイポーラ・プロセスを基に
して実現することが可能であり、容易に周辺回路を内蔵
するような半導体磁気センサを構成することができる。

以上、ラテラルＰＮＰ　トランジスタ構造の半導体磁気
センサについて説明してきたが、４亀形をＰ形からＮ形
へ反転したラテラルＮＰＮ　トランジスタ構造の半導体
磁気センサについても適用できることはいうまでもない
。

第４図は、この発明を示す第２の実施例である。

第２の実施例の構成は、基本的に第１の実施例と同じ構
成であり、キャリアの通路となるＮ形エピタキシャル層
２０代わりに、ＣＭＯ８用のＰ形シリコン基板１中に形
成されたＮウェル２０を用いている。また、第２０夾施
例の動作も、第１の実施例の動作と同じであるため説明
を省略する。この第２の実施例は、０ＭＯ８・プロセス
で製造することが可能であるために、０ＭＯ８−ＩＣ中
に形成することができ、論理回路と組み合わせることも
可能となる。

〔発明の効果〕

以上、具体的な実施例に基づいて説明してきたように、
半導体磁気センサに一対の電気的絶縁部を設け、エミッ
タ領域と一対のコレクタ領域の間を移動するキャリアの
通路を限定する構成としたことにより、磁気検出に寄与
しないキャリアを除去し、磁気検出に寄与するキャリア
によるコレクタ電流だけを出力させることが可能となっ
て磁気検出の感度を上げることができ、しかも、通常の
半導体プロセスで容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１の実施例の構成を示す平面図
、 第２図は、第１の実施例の断面図、 第３図は、キャリアの分布を示す図、 第４図は、この発明の第２の実施例を示す断面図、 第５図は、第１の従来例を示す図、 第６図は、第２の従来例を示す図、 第７図は、第２の従来例の断面図である。 １・・・Ｐ形シリコン基板、２・・・Ｎ形エピタキシャ
ル層、３・・・Ｐ形素子分離拡散領域、４・・・Ｐ形エ
ミッタ領域、５．６・・・Ｐ形コレクタ領域、７，８・
・・Ｎ形高濃度拡散領域、９，１０・・・電気的絶縁部
、１１・・・シリコン酸化膜、１２・・・エミッタ電極
、１３．１４・・・コレクタ電極、１５，１６・・・ベ
ース電極、２０・・・Ｎウェル、５００・・・ペース領
域、５０１．５０２・・・バイアス電極、５０３・・・
定電圧源、５０４，５０５・・・出力端子 特許出願人　日産自動車株式会社 第１図 第３図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　第１導電形の半導体基板内に一定の間隔で形成された
   第２導電形の一対のコレクタ領域と、前記半導体基板内
   の前記一対のコレクタ領域から等しい距離の位置に形成
   された第２導電形のエミッタ領域と、前記半導体基板内
   に形成され前記一対のコレクタ領域および前記エミッタ
   領域に電界を印加するための第１導電形の一対の高濃度
   拡散領域とから構成される半導体磁気センサにおいて、
   前記エミッタ領域と前記一対のコレクタ領域の間の前記
   半導体基板内に、前記一対のコレクタ領域を結んだ線の
   中点と前記エミッタ領域とを結んだ中心線をはさんで一
   定の間隔を開けて対称に形成された一対の電気的絶縁部
   を設け、前記エミッタ領域と前記一対のコレクタ領域の
   間を移動するキャリアの通路を限定することを特徴とす
   る半導体磁気センサ。