JPH0794805A

JPH0794805A - 高配向性ダイヤモンド薄膜磁気検出素子及び磁気検出装置

Info

Publication number: JPH0794805A
Application number: JP5315506A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tachibana; 武史橘; Kazushi Hayashi; 和志林; Koji Kobashi; 宏司小橋; Bradley A Fox; ブラッドリー・アラン・フォックス; Windheim Jesko A Von; ヤスコ・エイド・フォン・ウインドハイム; David L Dreifus; デービッド・レイン・ドレイフェス; Brian R Stoner; ブライアン・ライズ・ストーナー
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobe Steel USA Inc
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Kobe Steel USA Inc
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1995-04-07
Also published as: US5424561A

Abstract

(57)【要約】【目的】磁界感度が実用上十分に高いと共に、大面積
化及び大集積化が可能であり、大面積及び空間の連続的
な磁場測定が可能である耐熱性が優れた高配向性ダイヤ
モンド薄膜磁気検出素子及び磁気検出装置を提供する。【構成】高配向性ダイヤモンド薄膜磁気検出素子は、
磁気検知部（２）と、この磁気検知部にホール起電力を
生起させる少なくとも１対の主電流用電極３と、前記ホ
ール起電力を検出する検出電極４とを有する。そして、
前記磁気検知部が、気相合成によって形成されたダイヤ
モンド薄膜であって、その薄膜表面積の９０％以上がダ
イヤモンドの（１００）結晶面から構成されており、又
は（１１１）結晶面から構成されており、隣接する（１
００）結晶面又は（１１１）結晶面について、その結晶
面方位を表すオイラー角｛α，β，γ｝の差｛△α，△
β，△γ｝が｜△α｜≦１０°、｜△β｜≦１０°、｜
△γ｜≦１０°を同時に満足する高配向性ダイヤモンド
薄膜２により形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は放射線照射下等のよう
に、耐環境性及び高温安定性が優れていることが要求さ
れる分野に使用するのに好適の高配向性ダイヤモンド薄
膜磁気検出素子及び磁気検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体又は半導体薄膜は、そのホール現
象、即ち半導体材料中に磁場と垂直の方向に電流を流し
た場合に、前記磁場及び電流に垂直の方向にホール起電
力が発生するという現象を利用して、磁気検知に使用で
きることが公知である（例えば、薄膜ハンドブック「日
本学術振興会薄膜第１３１委員会編、第６３５乃至６
４１頁（１９８３年）」）。また、前記半導体薄膜とし
て耐熱性及び化学的安定性が優れたダイヤモンド薄膜を
利用したホール素子も公知であり、このダイヤモンド薄
膜を有するホール素子は２００℃以上の高温でも使用可
能と考えられている（特開平４−２６１７２号）。この
ような高温では、現在市販されているＳｉ、ＧａＡｓ、
ＩｎＡｓ又はＩｎＳｂ等を使用した磁気センサは半導体
特性が消失してしまうので使用できず、このためダイヤ
モンド薄膜を使用したホール素子、即ち磁気センサの優
位性が着目されている。また、ダイヤモンド薄膜は熱伝
導性及び放熱性が優れているため、入力電流を増加し、
素子感度を向上することも可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の単結晶
ダイヤモンドを使用したホール素子は、大面積の単結晶
を製作しにくいために基板の大きさに制約があり、ホー
ル素子の大面積化及び高集積化は困難である。また、単
結晶を使用しているので、その製造コストも高い。更
に、従来のホール素子は単一素子であり、広い面積又は
空間の磁場分布の測定のためには、ホール素子を移動さ
せる必要があり、同時に異なる場所の連続的な磁場測定
が困難である。

【０００４】一方、多結晶ダイヤモンド薄膜を使用した
場合には、大面積化及び集積化が可能となり、コスト面
の問題も解消されるものの、多結晶ダイヤモンド薄膜中
に高密度で存在する粒界のために、キャリア移動度が小
さく（約１cm²／V・秒）、磁界感度が低すぎるため実用
に供し得ない。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、磁界感度が実用上十分に高いと共に、大面
積化及び大集積化が可能であり、大面積及び空間の連続
的な磁場測定が可能である耐熱性が優れた高配向性ダイ
ヤモンド薄膜磁気検出素子及び磁気検出装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高配向性ダ
イヤモンド薄膜磁気検出素子は、気相合成によって形成
されたダイヤモンド薄膜により形成された磁気検知部
と、この磁気検知部にホール起電力を生起させる少なく
とも１対の主電流用電極と、前記ホール起電力を検出す
る検出電極とを有する。そして、本発明は、前記磁気検
知部のダイヤモンド薄膜が、その薄膜表面積の９０％以
上がダイヤモンドの（１００）結晶面又は（１１１）結
晶面から構成されており、隣接する（１００）結晶面又
は（１１１）結晶面について、その結晶面方位を表すオ
イラー角｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜
△α｜≦１０°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°
を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜であること
を特徴とする。

【０００７】この場合に、前記主電流用電極の相互間距
離が１００μｍ以下であることが好ましく、更に好まし
くは、約１０μｍ以下である。

【０００８】本発明に係る磁気検出装置は、この高配向
性ダイヤモンド薄膜磁気検出素子が、１次元的、２次元
的又は３次元的に配列されたものである。

【０００９】

【作用】図１は本発明に係る（１００）結晶面が高度に
配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示す。
薄膜面内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、薄膜
表面の法線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれに隣
接するｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を表す
オイラー角を夫々｛α_i，β_i，γ_i｝、｛α_j，β_j，
γ_j｝とし、両者の角度差を｛△α，△β，△γ｝とす
る。

【００１０】オイラー角｛α、β、γ｝は基準結晶面を
基準座標のＸ、Ｙ、Ｚ軸の周りに角度α、β、γの順に
回転して得られる結晶面の配向を表す。

【００１１】本発明においては、｜△α｜≦１０°、｜
△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°を同時に満足する高
配向性ダイヤモンド薄膜であるため、結晶が高度に配向
し、単結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。

【００１２】（１１１）結晶面についても同様にオイラ
ー角の角度差の絶対値がいずれも１０°以下である場合
に、結晶が高度に配向し、キャリアの移動度が高くな
る。このような高配向性ダイヤモンド薄膜は、例えば、
シリコン基板を鏡面研磨した後、メタンガスを含有する
気相中で基板に負のバイアスを印加しつつマイクロ波を
照射することにより形成することができる。

【００１３】そして、本発明においては、合成されたダ
イヤモンド薄膜表面の９０％以上が（１００）結晶面又
は（１１１）結晶面で覆われている。図１に示したよう
な高配向性ダイヤモンド薄膜でも、ダイヤモンド結晶粒
子間には粒界が存在するが、結晶面が強く配向している
ために結晶面間の角度差が小さく、従来の多結晶薄膜に
比べると、キャリア散乱が大幅に低下する。また、粒界
に存在する欠陥密度が低減するために、キャリアのトラ
ップも低減する。このような理由で、前記高配向性ダイ
ヤモンド薄膜の電気的特性は従来の多結晶薄膜に比して
大幅に向上する。このような電気的特性の向上は、被覆
率を９０％以上に限定すると共に、｜△α｜、｜△β
｜、｜△γ｜を１０°以下に限定することにより得られ
る。これは後述する実施例１の実験データから得られた
条件である。これらの条件を満たさない高配向性ダイヤ
モンド薄膜は、電気的特性が低い。

【００１４】また、前記高配向性ダイヤモンド薄膜は直
径数インチのシリコンウエハ等に成膜できるので、単結
晶ダイヤモンドにおけるような面積に対する制限はな
い。このため、大面積の高配向性ダイヤモンド薄膜を得
ることができる。

【００１５】そして、前記高配向性ダイヤモンド薄膜に
おいては、上述した理由で粒界によるキャリア散乱及び
トラップの影響が極めて小さいために、高配向性ダイヤ
モンド薄膜中のキャリア移動度は５００cm²／V・秒と単
結晶ダイヤモンドのそれに近い。

【００１６】本発明は前記高配向性ダイヤモンド薄膜を
磁気検知部に使用したので、感度及びコストの双方の点
で、磁気検出素子として十分に実用に供し得る。即ち、
本発明においては、高配向性ダイヤモンド薄膜を磁気検
知部として使用したので、２００℃以上の高温でもノイ
ズレベル以上のホール起電力を検出できる。また、高配
向性ダイヤモンド薄膜は非ダイヤモンド基板上に１０cm
²以上の大面積で形成することができるため、一度に多
数の素子を低コストで製作できる。

【００１７】更に、フォトリソグラフィ技術によれば、
特性が完全に同一の磁気検出素子を、同一基板上に、直
線、曲線、平面又は曲面に沿って配列し、アレー化する
ことができ、空間の磁場分布を同時に測定することが可
能になる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。図２は本発明の第１の実施
例に係る磁気検出素子を示す斜視図である。この磁気検
出素子は、平面型のものである。Ｓｉ、Ｓｉ₃Ｎ₄又は絶
縁性ダイヤモンド等からなる基板１上に、磁気検知部
（センサ部分）となるボロン（Ｂ）をドープした半導体
ダイヤモンド薄膜２が形成されている。この磁気検知部
の形状はフォトリソグラフィ及び選択成長技術によりパ
ターニングすることができる。また、磁気検知部をプラ
ズマエッチング及び電子線エッチング等のエッチング技
術を利用して加工することもできる。この半導体ダイヤ
モンド薄膜２は前述の如くして製造され、定義される高
配向性のダイヤモンド薄膜であり、この高配向性ダイヤ
モンド薄膜にＢをドープしたものである。

【００１９】そして、この半導体ダイヤモンド薄膜２上
には、１対の主電流用電極３と、１対のホール起電力測
定用電極４とがその対向方向を直交させて配置されてい
る。これらの各電極の構成材料としては、熱蒸着、スパ
ッタリング、電子線ビーム蒸着及びＣＶＤ法等の気相蒸
着法により形成した種々の金属（Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、
Ｗ、Ｃｒ等）、合金（Ｔｉ−Ｗ等）及び金属伝導を示す
化合物（ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ₂、ＴａＳｉ₂等）等が
ある。また、電極として、これらの層を積層した積層膜
を使用することもできる。更に、電極の接触抵抗を低減
するために、電極形成部の半導体ダイヤモンド薄膜２の
表面をＢで高濃度にドープしてこの部分にオーミックコ
ンタクトを形成することも有効である。

【００２０】次に、上述の如く構成された本実施例の磁
気検出素子の動作について説明する。対向する一対の主
電流用電極３を介して、磁気検知部である半導体ダイヤ
モンド薄膜２に電流を流し、半導体ダイヤモンド薄膜２
の表面に垂直に磁場５が印加されるように、磁気検出素
子を磁場中に配置する。そうすると、磁場５と電極３間
に流れる電流との相互作用により、磁場５の方向と電極
３間の電流の方向とに直交する方向にホール起電力が発
生し、このホール起電力の方向に配置された起電力測定
用電極４により前記ホール起電力が測定される。

【００２１】図３は横軸に磁場（ガウス）をとり、縦軸
にホール起電力（ｍＶ）をとって、図２に示す構造の磁
気検出素子の室温における磁界感度特性を実線にて示
す。主電流用電極３間の電流量は１ｍＡである。図２
中、破線は従来の磁気検知部に単結晶ダイヤモンド薄膜
を使用した場合（前記特開平４−２６１７２号）に示さ
れたホール素子の性能を示す。この図２に示すように、
単結晶を使用した場合に比してその磁界感度特性は劣る
ものの、本実施例の磁気検出素子も十分実用に供し得る
だけの磁界感度が得られている。

【００２２】次に、図３を参照して本発明の第２の実施
例について説明する。本実施例は第１の実施例と同様の
作用を有する素子を垂直方向に形成した垂直型の磁気検
出素子である。図３に示すように、絶縁性の基板１１上
には主電流用の一方の電極１３ａが蒸着等により形成さ
れている。そして、この電極１３ａの一部を被覆し、こ
の被覆部分より幅広で基板１１上に延出するようにパタ
ーニングされて、半導体ダイヤモンド薄膜１２が基板１
１及び電極１３ａ上に合成されている。この半導体ダイ
ヤモンド薄膜１２も高配向性の半導体ダイヤモンド薄膜
である。そして、主電力印加用の電極の対となる他方の
電極１３ｂが、半導体ダイヤモンド薄膜１２上に、平面
視でこの半導体ダイヤモンド薄膜１２と電極１３ａとが
重なる領域に形成されている。また、ホール起電力測定
用の一対の電極１４がその一部を主電流用電極１３ｂに
覆われていない部分の半導体ダイヤモンド薄膜１２上に
形成されており、この部分から半導体ダイヤモンド薄膜
１２の側面を経由して基板１１上に延出している。

【００２３】次に、このように構成された磁気検出素子
の動作について説明する。本実施例においては、電極１
３ａ，１３ｂ間に電流を印加することにより、薄膜１２
の厚さ方向に電流を流す。そして、この磁気検出素子を
磁場１５の方向が半導体ダイヤモンド薄膜１２の表面に
平行に、且つ電極１４の対向方向に垂直になるように、
この磁気検出素子を磁場中に配置する。そうすると、電
極１３ａ，１３ｂの対向方向、即ち基板表面に垂直の方
向と、磁場１５に垂直の方向にホール起電力が発生し、
この起電力が電極１４により検出される。

【００２４】本実施例の素子構造は、基板１１上にダイ
ヤモンドを気相合成する際の膜厚制御が容易であり、こ
のため、主電流用電極１３ａ，１３ｂの電極間距離を１
００μｍ以下の任意のものに選択することができるとい
う利点がある。また、電流用電極１３ａ，１３ｂ間の磁
気検知部、即ち、半導体ダイヤモンド薄膜１２の面積を
大面積に形成することができるため、電流用電極間に大
電流を流すことができ、素子の磁界感度を増大できると
いう利点もある。

【００２５】図５は図２又は図４に示す磁気検出素子か
らなる磁気検出装置（磁気検出測定用センサ）である。
図５（ａ）は図２又は図４に示す磁気検出素子２２を１
次元的に配列したリニアアレイ２１であり、図５（ｂ）
は同じく図２又は図４に示す磁気検出素子２４を２次元
的に配列した平面アレイ２３である。このようにアレー
２１，２３を形成することで、大面積の部分の磁場分布
を同時に且つ連続的に測定できる。

【００２６】なお、図２及び図４に示す実施例では、４
端子の磁気検出素子を例示したが、電極が３個又は５個
の夫々３端子乃至５端子又はそれ以上でも同様の効果を
有する素子を製造することができる。

【００２７】次に、本実施例の磁気検出素子を実際に作
製し、その特性を評価した結果について説明する。（ステップ１）高配向性ダイヤモンド薄膜を形成する基
板として、直径１インチ、方位（１００）のシリコンウ
エハを使用した。基板をマイクロ波化学気相蒸着装置に
入れ、メタン５％、水素９５％、ガス圧２５Torr、ガス
流量３００cc／分、基板温度６５０℃で１５分間処理し
た。マイクロ波入力パワーはほぼ１０００Ｗであった
が、基板温度を６５０℃に維持するように微調整した。
これと同時に基板に負バイアス電圧を印加した。負バイ
アスによる電流量は３０mA／cm²であった。

【００２８】（ステップ２）その後、メタン５％、水素
９３％、酸素２％、ガス圧６０Torr、ガス流量３００cc
／分、基板温度８００℃で８０時間合成を続けた。この
結果、膜厚が約８０μｍで高配向したダイヤモンド薄膜
を合成することができた。

【００２９】電子顕微鏡による観察からこの膜表面の９
０％が（１００）結晶面で覆われていることが分かっ
た。また、薄膜の断面写真から各結晶面の高低差は０．
８μｍであった。

【００３０】この薄膜表面の法線方向から±５°の角度
で２枚の電子顕微鏡写真を撮影し、各写真に撮影された
（１００）結晶面の傾きを測定したところ、隣接する結
晶面の傾きの差は｜△α｜≦１０°、｜△β｜≦１０
°、｜△γ｜≦１０°の全ての条件を満足した。

【００３１】（ステップ３）この高配向膜に更にＰ型半
導体ダイヤモンド薄膜を積層した。合成条件はメタン２
％、水素９８％、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）１ppm、ガス圧５
０Torr、ガス流量３００cc／分、基板温度８００℃で７
時間合成を続けた。その結果、下地の高配向性膜と同一
の表面形態をもつ厚さ３μｍのＰ型半導体ダイヤモンド
薄膜層が積層された。

【００３２】この半導体ダイヤモンド層のホール移動度
を測定した結果、５００cm²／V・秒と高い値が得られ
た。この値は通常の多結晶ダイヤモンド薄膜（約１cm²
／V・秒）の約５００倍である。

【００３３】（ステップ４）ステップ１の条件を下記表
１に示すように種々変更して同様の実験を繰り返した。
但し、表１の試料１はステップ１にて説明した条件の場
合のものである。

【００３４】

【表１】

【００３５】この表１に示す試料２，３の条件では、夫
々薄膜表面の９６％及び９８％が（１００）結晶面で覆
われたダイヤモンド薄膜が得られ、隣接するいずれの結
晶面についても｜△α｜≦１０°、｜△β｜≦１０°、
｜△γ｜≦１０°の条件が満足された。

【００３６】これに対し、試料４，５では夫々薄膜表面
の８０％及び７０％が（１００）結晶面で覆われ、また
隣接するいずれの結晶面でも｜△α｜＞１０°、｜△β
｜＞１０°、｜△γ｜＞１０°となった。

【００３７】そこで、これらの試料１〜５についてホー
ル移動度を測定した。このホール移動度の測定結果を図
６に横軸に試料番号をとり、縦軸に移動度をとって示
す。この図５から明らかなように、本発明にて規定した
条件を満足する高配向性ダイヤモンド薄膜（試料１，
２，３）においては、極めて高いホール移動度が得られ
る一方、本発明から外れる場合（試料４，５）には、ホ
ール移動度が極めて低いことが分かる。これにより、本
発明にて規定した高配向性膜は、ホール素子として実用
上十分な特性を有することが結論される。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁気検知部に高配向性ダイヤモンド薄膜を使用したの
で、従来の多結晶ダイヤモンド薄膜で問題であったキャ
リア移動度が大幅に向上し、実用上十分なレベルの磁界
感度を有する磁気検出素子が得られる。また、本発明は
このように単結晶膜を使用した場合に近い電気的特性を
有するにも拘らず、天然又は人工の単結晶ダイヤモンド
では不可能であった素子作製面積の大型化及び素子の集
積化が可能となり、低コストで高性能の大面積及び高集
積化磁気検出素子及び磁気検出装置を得ることができ
る。更に、本発明の磁気検出素子及び磁気検出装置はダ
イヤモンドの特徴である高い熱伝導度並びに熱的及び化
学的安定性を有しており、高温及び放射線照射等の厳し
い環境下でも使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の特徴である高配向性ダイヤモンド薄膜
を説明する模式図である。

【図２】本発明の第１の実施例に係る平面型磁気検出素
子を示す斜視図である。

【図３】本実施例の磁気検出素子の室温における磁場ホ
ール起電力特性（磁界感度特性）を示すグラフ図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施例に係る垂直型磁気検出素
子を示す斜視図である。

【図５】本発明の実施例に係る磁気検出装置（センサア
レイ）を示し、図５（ａ）はリニアアレイ、図５（ｂ）
は平面アレイである。

【図６】本発明の効果を示す移動度のグラフ図である。

【符号の説明】

１，１１：基板２，１２；半導体ダイヤモンド薄膜３，１３ａ，１３ｂ；主電流用電極４，１４；起電力測定用電極５，１５；磁場２１，２２；センサアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者林和志兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者小橋宏司兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者ブラッドリー・アラン・フォックスアメリカ合衆国，ノースカロライナ州 27511，ケリー，ハフトン・コート，102 (72)発明者ヤスコ・エイド・フォン・ウインドハイムアメリカ合衆国，ノースカロライナ州 27615，ローリ，ブラフトップ・コート 7709 (72)発明者デービッド・レイン・ドレイフェスアメリカ合衆国，ノースカロライナ州 27513，ケリー，ワイドコム・コート，101 (72)発明者ブライアン・ライズ・ストーナーアメリカ合衆国，ノースカロライナ州 27603，ローリ，ブロード・オークス・プレイス，2659

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、その薄膜表面積の９０％以上がダイヤ
モンドの（１００）結晶面から構成されており、隣接す
る（１００）結晶面について、その結晶面方位を表すオ
イラー角｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜
△α｜≦１０°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°
を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜により形成
された磁気検知部と、この磁気検知部にホール起電力を
生起させる少なくとも１対の主電流用電極と、前記ホー
ル起電力を検出する検出電極とを有することを特徴とす
る高配向性ダイヤモンド薄膜磁気検出素子。
【請求項２】気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、その薄膜表面積の９０％以上がダイヤ
モンドの（１１１）結晶面から構成されており、隣接す
る（１１１）結晶面について、その結晶面方位を表すオ
イラー角｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜
△α｜≦１０°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°
を同時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜により形成
された磁気検知部と、この磁気検知部にホール起電力を
生起させる少なくとも１対の主電流用電極と、前記ホー
ル起電力を検出する検出電極とを有することを特徴とす
る高配向性ダイヤモンド薄膜磁気検出素子。
【請求項３】前記主電流用電極の相互間距離が１００
μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載
の高配向性ダイヤモンド薄膜磁気検出素子。
【請求項４】前記高配向性ダイヤモンド薄膜はＰ型半
導体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
１項に記載の高配向性ダイヤモンド薄膜磁気検出素子。
【請求項５】気相合成により形成されたダイヤモンド
薄膜からなる基板又は非ダイヤモンド材料からなる基板
上に、前記磁気検知部の高配向性ダイヤモンド薄膜が形
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項に記載の高配向性ダイヤモンド薄膜磁気検出素
子。
【請求項６】前記磁気検知部の高配向性ダイヤモンド
薄膜は、選択成長又はエッチング技術により１mm²以下
の大きさでパターン形成されていることを特徴とする請
求項１乃至５のいずれか１項に記載の高配向性ダイヤモ
ンド磁気検出素子。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
ダイヤモンド薄膜磁気検出素子が、１次元的、２次元的
又は３次元的に配列されたものであることを特徴とする
磁気検出装置。