JPH0722208B2 - 半導体センサ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、磁気センサ、温度センサ、圧力センサ、歪セ
ンサ等、外部環境における変動量の検出能を有する半導
体センサ装置の改良に関する。

〈従来の技術〉 磁界、温度、圧力ないし歪等、外部環境から与えられる
変動量の変化分に応じて対応する値の電圧、電流等の変
換電気量を出力する半導体センサ装置にも各種各様のも
のがあるが、昨今特に、超小型で、必要に応じては他の
回路系と同一基板上に集積することも十分可能なよう
に、フォトリソグラフイ等の微細加工技術を援用して適
当なる半導体基板上に作成されるものがある。

そうしたものの代表的な一例としてホール効果を利用し
た磁気センサ装置を挙げると、その要部構造は一般に第
４図示のようになる。

同図は平面的に見たものであり、図面紙面を半導体基板
の表面またはこれに平行な面と考えて良いが、ここでは
通常、単にホール素子と呼ばれるように、半導体磁気セ
ンサ装置とは言っても単体の磁気センサ・セルのみが示
されている。

実際には同種のセル構造が一枚の半導体基板上に複数個
集積されたり、さらにはそれら複数個を適当なる方向に
配し、電気的、回路的に適当な処理を施すことにより、
印加磁界の大きさのみならず、その印加方向をも検出で
きるようにしたものもあるが、いづれの場合にも本発明
に係る論点は同じなので、ここでは簡単のため、図示の
単一セルに従って考える。

まずこのホール素子10は、半導体基板表面部分にあって
該表面に平行な面内に形成された電流通路20を有し、一
般にはこれがそのまま、実質的な変動量検出領域（すな
わちこの場合は磁界検出領域）40を構成する。ただし場
合によっては、電流通路20の途中に意図的に別途な材質
により磁界検出領域40が形成される場合もある。しかし
このような場合も、本書においては電流通路が磁界検出
領域を有するということで一括して置く。

この電流通路20ないし磁界検出領域40にはバイアス電流
I_Sを印加して用いるので、その長さ方向両端には端子領
域23,24が形成され、これらの表面にはそれぞれ、金属
その他、適当なる導電材料製の電極25,26が設けられ
る。

磁界検出領域40ないし図示の場合の電流通路20はもちろ
ん、ホール効果を呈し得る材料製となっているが、磁界
検出の結果としての変換電気量、つまりホール電圧を取
り出すため、その長さの途中からは一対の信号取出用の
線路状領域31,32が基板と平行な面内で電流通路20とは
直角に引き出されており、これら一対の信号取出領域3
1,32の各端子領域33,34の表面領域にもそれぞれ適当な
る材料製の電極35,36が形成さている。

一般にこうしたセンサ装置では、一対の信号検出端子
（電極）35,36に関し、いわゆる平衡型として構成する
ことが多い。つまり、主たる電流通路20に対してバイア
ス電圧V_Sないしバイアス電流I_Sを印加した状態下におい
ても、磁界を検出していないときには一対の信号検出端
子35,36間に直流的な電位差が発生しないように図られ
る。

これは例えば図示のホール素子の場合、仮に磁界が印加
されていないときにも一対の信号検出端子35,36間に直
流的な電圧が表れるようなことがあると、交番磁界検出
専用であるならばともかく、直流磁界の検出は実際には
不能となってしまうからである。良く知られているよう
に、こうした偏倚電圧はオフセット電圧と呼ばれて嫌わ
れている。

そこで、これを満たすため、構造的な要因として、一対
の信号取出領域31,32は主たる電流通路20ないし磁界検
出領域40に対し、幾何的に同一の長さ方向位置に接続さ
れるように図る。つまり図示されている相対的な位置誤
差ΔＬが極力零となるようにするのである。

今、仮にこの要件が満たされていたとすると、こうした
構造において電流通路20の両電極25,26間に電圧V_Sを印
加し、バイアス電流I_Sを流すことにより、外部から印加
される磁界の大きさをホール電圧に変換して検出するこ
とができる。

すなわち、検出領域40に検出対象となる磁界が加わる
と、周知のホール効果により電流通路20ないし磁界検出
領域40内で電流が偏より、それに応じて信号取出領域3
1,32を介して両電極35,36間に対応的なホール電圧V_Hが
得られるので、検出対象である磁界Ｂはこのホール電圧
V_Hと次式１）から求めることができる。

ただし、Ｂは求める磁界（ガウス）， ｄは電流通路20の厚み（cm）， R_Hはホール定数で、 R_H＝1/en（cm³／クーロン）． ……１） 〈発明が解決しようとする問題点〉 上述したようなホール素子においては、一対の信号取出
領域31,32の電流通路20に対する相対接続位置関係が重
要な課題となることは既述した。電流通路20の長さ方向
に見て位置ズレ量ΔＬは理想的には零でなければならな
い。

しかし実際には、従来構成のこうした半導体センサ装置
では位置ズレ量ΔＬを零にできないどころか、十分に小
さくすることすら困難な状況にある。

そこで逆に、こうした位置ズレΔＬがあった場合、それ
が実際上、素子本来の検出特性にどの程度の悪影響を及
ぼすかにつき考えてみる。

磁界Ｂが印加されていないときに両信号取出領域31,32
間に生ずる偏倚電圧（オフセット電圧）V_Oは、Ｌを電流
通路20の実効長さとすると、次式２）によって求められ
る。

しかるに、上述のホール素子構造の場合、全てその要部
に平面的な構造要因を含むため、実際には通常のフォト
リソグラフィを応用して作成される結果、幾何的な寸法
ズレΔＬは最大では１μｍ程度にもなる。

一方、通常、電流通路20の長さＬは100μｍ程度とされ
るから、例えば電源電圧V_Sを10Vとすると、上記式２）
から偏倚電圧V_Oは100mV前後にもなる。

このとき、電流通路ないし磁界検出領域の半導体がシリ
コンである場合1KGの磁界に対するホール電圧は10mVの
オーダであるから、こうした場合、何と不平衡電圧V_Oは
信号電圧の10倍にもなってしまう。これはもちろん、許
容可能な範囲を越えており、特に実質上、直流磁界は検
出不能と言って良い。

こうした問題は、半導体基板の表面に平行な面内に形成
された変動量検出部を有する他の半導体センサ装置、例
えば半導体温度センサ装置、半導体圧力ないし歪センサ
装置等であっても同様に起こり得る問題である。

例えば上記のような温度センサ装置や圧力センサ装置等
にあっては、一般に四つの抵抗素子をブリッジに組み、
その一つに物理的ないし機械的な追い加工とか特殊な機
械的手段を付加して対象となる変動量の検出部とし、信
号取出用線路領域はこのブリッジの平衡点から各一つ、
計一対、引き出すようにして構成される。

した場合、各信号取出用領域の対応する電流通路部分へ
の接続位置は、やはり同様に、幾何的にも相対的なズレ
のない位置に選ばれる必要があるが、実際上、既存の平
面加工に係る微細加工技術としてのフォトリソグラフィ
に頼る限り、その位置精度には限界があり、不平衡電圧
ないし偏倚電圧V_Oは十分に抑え込めないのである。

この議論は、さらに展開すると、実は平衡型に関する問
題には留まらない。変動量検出領域から引き出される信
号取出領域が一つであって、例えば接地との間での電圧
を読むような型のセンサ装置等にあっても、その信号取
出領域の幾何的な取り出し位置が設計値からズレること
によって特性が左右されることは十分にあり得、同様に
従来の平面微細加工技術であるフォトリソグラフィに頼
らねばならない場合、その精度上の不具合は拭い切れな
い。

本発明はこうした点にかんがみてなされたもので、電流
通路の途中に変動量検出部を有する半導体センサ装置に
おいて、電流通路への信号取出領域の接続位置精度をフ
ォトリソグラフィ等の低精度な手法ではなく、現時点に
おいても遥かに高精度を発揮し得る不純物二重拡散技術
や薄膜堆積技術によって規定できるような半導体センサ
装置を提供せんとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は上記目的を達成するため、下記構成の半導体セ
ンサ装置を提案する。

半導体基板（11）の内部にあって該半導体基板（11）の
厚さ方向に伸びる電流通路（20）と； 該電流通路（29）自体であるか、または該電流通路（2
0）の途中に設けられ、外部環境から印加される変動量
を検出する変動量検出領域（40）と； 該電流通路（20）の両端に設けられ、上記変動量検出領
域（40）にバイアス電流を流すための端子（25,26）
と； 上記半導体基板（11）の上記内部において上記変動量検
出領域（40）に電気的に接続すると共に、該接続部分か
ら上記電流通路（20）と直交する方向に伸びて信号検出
用端子領域（33,34）に接続し、上記変動量検出領域（4
0）にて検出された上記変動量に対応する変換電気量を
該変動量検出領域（40）から該信号検出用端子領域（3
3,34）に伝達する信号取出領域（31,32）と； を有して成る半導体センサ装置。

〈作用および効果〉 本発明の要旨構成中を始め、本書で言う上記の変動量と
は、すでに明らかなように、磁界、温度、圧力ないし歪
等の外部検出対象となる各次元の量であり、変動量に対
応する変換電気量とは電圧、電流等を指し、また半導体
基板とは、基板全体が単一の材料性のものを始め、複数
層を積層したものや、ある異種基板の上に形成された薄
膜を有するようなものも含む総称である。

が、いづれにしても、本発明において電流通路を半導体
基板の厚さ方向内部に伸びるように形成し、信号取出領
域は該電流通路に対し、半導体基板内部にあって上記厚
さ方向に沿う所定高さ位置にて接続するようにしたとい
うことは、当該接続位置の設定に平面加工技術であるフ
ォトリソグラフィを用いる必要がなく、フォトリソグラ
フィに比せば遥かに高精度な不純物二重拡散技術や薄膜
堆積技術等、厚さ方向の膜加工ないし膜形成手法を援用
し得ることを意味し、したがって十分な位置精度を得る
ことができるのである。

実際上、既述したホール素子等に本発明を適用した場
合、信号取出領域間の相対的な位置ズレΔＬは容易に10
0Å前後にすることが可能である。

また、電流通路の実効長さは半導体基板の厚さ方向（深
さ方向）であるので、これを十分短くすることができ、
ために従来と同程度の電流量を電流通路に流すのにも、
従来に比せば一桁から二桁も小さな印加電圧で済む。

してみるに、電流通路の実効長、印加電圧を共に低減さ
せた結果、先の１）式においての比V_S/Lは一定のままと
考えても、本発明においてはさらに位置ズレΔＬを極め
て低減し得るために、オフセット電圧V_Oは従来に比し、
1/100程度にまで、大きく低下させることができる。し
たがって既述のホール素子に関する説明のように、印加
磁界が1KGでホール電圧が10mVという同一条件で比較す
ると、本発明によったホール素子は従来のホール素子に
比し、実効的にその感度が100倍、高められたことにな
る。

このような顕著なる効果は一般的に展開できること、明
らかである。変動量検出領域を有する電流通路に対して
の信号取出領域の接続位置を従来に比し遥かに高精度で
設定し得るという本発明の基本的な効果は、本発明を適
用するべき半導体センサ装置の種類によらず、また動作
原理のいかんによらない普遍的な効果である。

〈実施例〉 第１図には本発明によった半導体センサ装置の一例とし
て、単体としてのホール素子10が示されている。

なお、図中の各構成子に用いている符号に関しては、既
述の従来例における各構成子と同一ないし同様の機能を
営むものにつき、同一の符号を付した。もちろん、その
物理的、機械的、および幾何的な構成は、本発明の適用
の結果、異なるものとなっているものが多い。

磁界検出領域40を有する、ないしこの実施例の場合には
それがそのまま磁界検出領域40となる電流通路20は基板
11の表面から基体厚さ方向内部に伸びるように形成さ
れ、基板裏面側に形成されている同一導電型の、ただし
望ましくは低抵抗な端子領域24に接続している。

同様に、電流通路20の他端側に設けられる端子領域23
も、望ましくは電流通路と同一導電型で低抵抗な領域と
され、基板11の表面に形成されている。

一対の端子領域23,24には、それぞれ外部回路への接続
のための電極ないし端子25,26が設けられるが、端子領
域24に対する端子26は、通常、基板11の裏面に形成され
た適当なる金属その他の導電材料面26により、構成する
ことができる。

このような構造における電流通路20は、半導体基板表面
からの不純物拡散、イオン注入や、選択エピタキシャル
成長等の既存の技術をして構成することができ、端子領
域23,24も同様に公知適当なる手法により形成すること
ができる。

また、低抵抗領域24を形成する部分を第一の半導体基板
24として選び、その上に成長させた逆導電型薄膜の中に
上記手法を選択的に採用して電流通路20を作ることもで
きる。図中においては一例として、電流通路20がｎ型で
あり、したがって低抵抗端子領域23,24はn⁺型、電流通
路20の周辺部の導電型は逆導電型であるｐ型となってい
る場合が示されている。

こうした縦方向に伸びる電流通路20に対し、信号取出領
域31,32は、半導体基板11の内部にて接続されている。

こうした構造は、半導体基板11の表面からまず電流通路
20と同一導電型の不純物を所定深さd1に及ぶように所定
面積の開口（拡散窓）から拡散し、次いで逆導電型を規
定する不純物を上記と同一の拡散窓から上記深さd1より
も浅い所定の深さd2に亘って二重拡散することにより、
dt＝d1−d2により定められる領域厚dtの信号取出領域3
1,32が半導体基板内部にあって所定の高さ位置（半導体
基板表面から見れば所定の深さ位置）に形成される。

その後、各信号取出領域31,32に外部回路への導通を取
るための信号検出用端子領域33,34を基板表面からの不
純物拡散技術等により形成し、その露出表面に適当なる
導電材料製の電極35,36を付せば、等価回路的には既に
説明した従来のホール素子と同様な機能を営み得るホー
ル素子が完成する。もちろん、この信号取出領域31,32
に関する端子領域33,34の中にも、低抵抗領域37,38を形
成して良い。

このように、本発明によって構成されたホール素子10に
おいて従来素子と最も異なる優れた点は、既述の構成か
らも明らかなように、一対の信号取出領域31,32の電流
通路20に対する接続位置が、不純物の二重拡散技術によ
って半導体基板11の内部にて高さ方向に規定できるとい
うことである。

したがってその位置ズレΔＬは、各拡散領域の拡散深さ
d1,d2に対してのこの種二重拡散技術における誤差範囲
内に応ずることとなり、これは極めて小さいことから、
実際上、当該位置ズレΔＬは100Å程度に優に収めるこ
とができる。

さらに言うなら、こうした精度は、上記二重拡散に限ら
ず、イオン注入やエピタキシャル成長等、その他既存の
厚さ方向薄膜加工手法ないし形成手法をしても同程度の
オーダで得ることができる。したがって、換言すれば、
本発明の構造そのものが、こうした高精度性を内包して
いるのである。

また、先に述べたように、電流通路20の実効長さは、本
発明の場合、半導体基板11の厚さ方向に取ることになる
ので十分に短くすることができ、数μｍオーダにまで縮
めることができる。

実際上、本出願人の試作例にあっては、電流通路20の実
効長は５μｍにもすることができた。このように電流通
路20の長さを低減することができると、バイアス電流I_S
を流すに必要な、電流通路20の両端に一つずつ設けられ
ている端子25,26間への印加電圧V_Sも低減することがで
き、周辺バイアス回路の負担を軽減してそうした回路系
を簡素化し得る効果も生まれる。

上記した電流通路実効長が５μｍの試作素子に対し、印
加電圧V_S＝5Vを与えた上で半導体基板の表面に平行で図
面紙面に直交する方向の磁界の検出に当たらせた所、ホ
ール電圧V_Hは100mV/1KGを得ることができ、一方、不平
衡電圧V_Oは10mVに抑え込むことができた。

これは実質的に、従来のホール素子に比し、同一の条件
下ではその感度を百倍に高め得たことに相当する。

ところで、こうしたホール素子においては、既述したよ
うに、印加電圧の低下のみならず、印加電流をも減少す
ることができればそれが望ましい。エネルギの利用効率
を高め、周辺回路系を同様に簡素化し得るからである。
そのためには、電流通路の厚味を低下させれば良い。こ
の電流通路の厚味とは、図示の場合、半導体基板の横た
わる方向に平行な方向の断面積を言う。

そこで、本発明の望ましい他の実施例として、第２図に
示されるような実施例を提供することができる。

同図（Ａ）は平面的な構成図、同図（Ｂ）は理解のため
に同一導電型で統一される要部構造、特に磁界検出領域
40を兼ねる電流通路20、一対の信号取出領域31,32、及
び電流通路、信号取出領域の各端子領域23,24,33,34を
抜き出して斜視図的かつ模式的に示したものである。

これらの図面から理解されるように、この実施例におい
ては、第１図に示される実施例に関して述べたような適
当な手法により当該第一実施例における電流通路20の構
成容積部分を形成した後、同一の拡散窓からの不純物二
重拡散等により、逆導電型の不純物を拡散し、内部に当
該逆導電型のコア構造21を形成し、もって電流通路20は
このコアの周りの厚味の薄い壁部となるようにして、そ
の実効厚味を低減させているのである。当該厚味は第２
図（Ａ）中、記号Ｗで示している。

このようにすると、同一の検出感度を得るためにも必要
なバイアス電流値を十分に低減することができる。

この第２図に示される実施例において、説明しなかった
他の符号による構成子は、機能的にも構造的にも、第１
図に示された実施例における同一符号の構成子に対し、
ほぼ同様ないし同一と考えて良い。

第３図は、本発明を平衡型の圧力センサないし温度セン
サとして構成する場合に適当なる構造を示している。

同図（Ｂ）の等価回路に示すように、一般にこうした温
度とか圧力を検出対象とする半導体センサ装置は、四つ
の抵抗素子部をブリッジに組み、それら四つの中から二
つづつを直列にした各ブランチの両端に電圧V_Sを印加
し、バイアス電流I_Sを流して用いる。

各ブランチのそれぞれ二つの抵抗素子部20a,20b;20c,20
d間の接続ノードに各信号取出領域31,32の一端が接続さ
れ、他端側の端子33,34の間に変換電気量としての対応
電圧を得る。

もちろん、四つの抵抗素子部の中の一つ、例えば抵抗素
子部20dには、外部環境に直接ないし間接に接触し、温
度、圧力等、対象となる変動量を検出できるような機械
的、幾何的構成が施されていなければならない。

こうした等価回路は、本発明を適用すると、第３図
（Ａ）に示されるような構造として得ることができる。

先と同様、用いる符号は対応する構成子に対し先の実施
例中と同一のものを使う。ただしもちろん、この実施例
においては、検出対象とする変動量は先のように磁界で
はないので、電流通路20に設けられる変動量検出領域40
は、それぞれ場合によって感圧領域、感温領域となる。

半導体基板11の内部には、厚さ方向に伸びるように一対
の電流通路20,20が互いに横方向に適宜離間して形成さ
れている。

この電流通路20は、感圧または感温性を有する抵抗素子
部20a,20b;20c,20dの直列構成と等価となるよう、適当
なる材質から成っているが、その物理的な構成手法に
は、先の実施例に関して述べたように、不純物拡散技
術、イオン注入技術、エピタキシャル成長技術等を選択
的に採用することができる。

同様に電流通路20の長さ方向途中に接続される各信号取
出領域31,32は、半導体基板11の表面から、その深さd1,
d2が異なる二重拡散技術等によってその位置と厚味dtを
精度良く設定することができる。一般にこうしたブリッ
ジにおいては、信号取出領域31,32の接続位置は、各ブ
ランチにおける各抵抗素子部20a,20b;20c,20dの定常時
の抵抗値比が等しくなるよう、両電流通路20,20におい
て同一深さ位置に選ばれる。

各信号取出領域31,32に接続され、半導体基板表面に露
出する端子領域33,34や、その上に形成される端子ない
し電極35,36、及び電流通路両端の端子領域23,24、同電
極35,36等も、同様に既述した手法により形成すること
ができる。

温度ないし圧力（歪）の検出装置としたがための特徴的
な付加構成は、一方のブランチの一つの抵抗素子部20d
の横方向一側（図中、右手の側）の半導体基板部分を掘
り下げる等して切り開き、当該側面を適当なる絶縁膜50
を介して外部環境に臨ませたこと、及び当該外部環境に
対して間接的にではあるが臨んでいる側面に対し、対向
する側面の横も同様に適当なるエッチング手段等により
加工して掘り下げ、真空の空間51を形成したことであ
る。この真空空間51の上を密封し、また各端子の上方を
保護する層52は、適当なる熱絶縁物または真空シールで
構成する。

こうしたセンサ装置10にあっては、外部環境に臨んでい
る側面に作用した温度ないし圧力変動は、当該一方の電
流通路20における変動量検出領域40としての抵抗素子部
20dの抵抗変化により、ブリッジ平衡電圧の変化、すな
わち端子33,34間の電位差という形で読み取ることがで
きる。

もちろん、図示の場合の機械構成は一例であって、特定
の抵抗素子部へ外部変動量を作用させるための機械的な
構成自体は本発明がこれを直接に規定するものではな
い。本発明はあくまで、変動量検出領域を有する電流通
路を半導体基板の厚さ方向内部に伸びるように構成した
ことに特徴を有するものである。

なお、第１〜３図示実施例のいづれのにおいても、図示
されたセンサ・セルを適当な平面配置で例えば検出変動
量を受ける向きを互いに直交させるように少なくとも二
つ配置すれば、当該変動量の大きさのみならず、その印
加方向をも面内で同定する半導体センサ装置とすること
ができる。

逆に半導体基板に複数個を集積形成した後、一つづつ切
り出すことにより、単体としての半導体センサ装置を提
供することも可能である。もちろん、他の回路系と同一
基板上に本発明センサ装置を載せることも当然にできる
し、さらに、既述の実施例はいづれも平衡型として構成
される半導体センサ装置であったが、信号取出領域の電
流通路に対する接続位置が厳密に規定されなければなら
ないセンサ装置であれば、不平衡型でも本発明の適用で
好結果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例として、磁気センサを構成した
場合の当該半導体センサ装置の概略構成図、第２図は、
本発明の他の実施例として、電流通路の厚味を低減させ
た実施例の概略構成図、第３図は本発明を温度ないし圧
力センサ装置として構成する場合の一例の概略構成図、
第４図は従来例として、ホール効果を利用した磁気セン
サ装置の要部構造図である。 図中、10は半導体センサ装置、11は半導体基板、20は電
流通路、21は電流通路の厚味を低減するための電流通路
とは逆導電型のコア、31,32は信号取出領域、40は変動
量検出領域、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板（11）の内部にあって該半導体
   基板（11）の厚さ方向に伸びる電流通路（20）と； 該電流通路（20）自体であるか、または該電流通路（2
   0）の途中に設けられ、外部環境から印加される変動量
   を検出する変動量検出領域（40）と； 該電流通路（20）の両端に設けられ、上記変動量検出領
   域（40）にバイアス電流を流すための端子（25,26）
   と； 上記半導体基板（11）の上記内部において上記変動量検
   出領域（40）に電気的に接続すると共に、該接続部分か
   ら上記電流通路（20）と直交する方向に伸びて信号検出
   用端子領域（33,34）に接続し、上記変動量検出領域（4
   0）にて検出された上記変動量に対応する変換電気量を
   該変動量検出領域（40）から該信号検出用端子領域（3
   3,34）に伝達する信号取出領域（31,32）と； を有して成る半導体センサ装置。