JPH08179023A - 半導体基板に集積される磁気検出素子及び磁気検出モジュール - Google Patents

半導体基板に集積される磁気検出素子及び磁気検出モジュール

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JPH08179023A
JPH08179023A JP6324234A JP32423494A JPH08179023A JP H08179023 A JPH08179023 A JP H08179023A JP 6324234 A JP6324234 A JP 6324234A JP 32423494 A JP32423494 A JP 32423494A JP H08179023 A JPH08179023 A JP H08179023A
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祥二 川人
Tetsuo Nakamura
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 感度が高く、正確な磁気の検出を行うことが
でき、しかも超小型化が可能な半導体基板上に集積され
る磁気検出素子及び磁気検出モジュールを提供する。 【構成】 半導体基板に集積される磁気検出素子におい
て、半導体(シリコン)基板1上に形成される軟磁性膜
コア2a,2bと、この軟磁性膜コア2a,2bを交流
的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイル
3bと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイル
3aとを形成し、軟磁性膜コア2a,2bに励磁コイル
3bと磁束変化検出用コイル3aを1ターンずつ交互に
巻いた構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板に集積され
る軟磁性コアを用いた磁気検出素子及び磁気検出モジュ
ールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】軟磁性体とコイルを用いた磁気センサ
は、古くから非常に感度の高い磁気センサとして用いら
れている。このような磁気センサは、比較的大きな棒状
のコアか、軟磁性リボン(薄帯)をリング状に巻いたコ
アに、コイルを手作業により巻くことにより作製され
る。また、測定磁界に比例した電圧を得るためには、電
子回路が必要となる。
【0003】このような磁気センサの磁気検出素子を薄
膜軟磁性コアと平面型の薄膜コイルにより実現する方法
も考案されている。一方、半導体を用いた磁気センサ
は、小型で量産も容易であるため、広く用いられてい
る。また、半導体磁気センサと、同じ基板上に空心のコ
イルを形成し、磁束による負帰還を行う方法も提案され
ている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の大きな棒状コ
ア、または軟磁性リボンによるリング形状コアに、手巻
きによるコイルを巻き、また電子回路を個別部品により
構成する磁気センサは、磁気検出部及び装置全体が大が
かりとなり、制作費も高くなる。また、従来の薄膜軟磁
性コアと平面薄膜コイルを用いた磁気検出素子では、励
磁コイルにより発生する磁束変化による大きな誘導波形
が、測定磁界の有無に関わらず、検出コイルに現れてし
まう。このために、その波形を増幅したり、波形の変化
から、測定磁界に比例した成分を抽出するための処理が
難しくなる。例えば、波形が飽和したり、オフセットが
大きくなったりという問題のために、高感度な検出を困
難にする。
【0005】従来の(半導体基板を用いない)磁気セン
サでは、測定磁界がないときに誘導波形を打ち消す方法
は存在している。また、従来の半導体磁気センサは、感
度は、分解能が低く、その用途が限られていた。また、
半導体磁気センサと、空心のコイルを同一基板上に形成
し、負帰還を行う方法によっても、感度や分解能におけ
る著しい改善はみられない。
【0006】本発明は、上記問題点を除去し、感度が高
く、正確な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型
化が可能な半導体基板上に集積される磁気検出素子及び
磁気検出モジュールを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 (1)半導体基板に集積される磁気検出素子において、
半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性
膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成され
る励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出
用コイルとを形成するようにしたものである。
【0008】(2)上記(1)記載の磁気検出素子にお
いて、前記軟磁性膜コアを2個並設し、その軟磁性膜コ
アに励磁コイルと磁束変化検出用コイルを1ターンずつ
交互に巻いた構造を有し、測定磁界が零のとき、磁束変
化検出用コイルに誘導波形が現れないようにしたもので
ある。 (3)上記(1)記載の磁気検出素子において、前記2
つの励磁コイルと2つの磁束変化検出用コイルを2つの
平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重
ねた構造を有し、測定磁界が零のとき、磁束変化検出用
コイルに誘導波形が現れないようにしたものである。
【0009】(4)半導体基板に集積される磁性体を用
いた磁気検出モジュールにおいて、半導体基板上に形成
される軟磁性コアと、この軟磁性コアを交流的に励磁す
るための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜
により形成される磁束変化検出用コイルとを有する磁気
検出素子と、前記励磁コイルに接続され、前記半導体基
板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路と、前記磁
束変化検出用コイルに接続され、前記半導体基板上に集
積される磁気検出信号処理用集積回路とを設けるように
したものである。
【0010】(5)上記(4)記載の磁気検出モジュー
ルにおいて、前記励磁コイル駆動用集積回路は、パルス
発振器と分周回路と駆動回路とを設けるようにしたもの
である。 (6)上記(4)記載の磁気検出モジュールにおいて、
前記磁気検出信号処理用集積回路は、制御信号発生回路
と高周波増幅器とクロス結合スイッチと低域通過フィル
タとを設けるようにしたものである。
【0011】(7)半導体基板に集積される磁性体を用
いた磁気検出モジュールにおいて、半導体基板上に形成
される半導体磁気検出素子と、この半導体磁気検出素子
を挟むように配置される一対の軟磁性コアと、この軟磁
性コアに巻き回される金属膜により形成される励磁コイ
ルとを設けるようにしたものである。 (8)上記(7)記載の磁気検出モジュールにおいて、
前記半導体磁気検出素子はホール素子である。
【0012】(9)上記(7)記載の磁気検出モジュー
ルにおいて、前記半導体磁気検出素子は分割ドレイン型
磁気トランジスタである。 (10)半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検
出モジュールにおいて、半導体基板の中央部に形成され
る分割ドレイン型磁気トランジスタと、この溝の底部に
形成され、前記磁気トランジスタに接続される配線層
と、前記溝の下部に形成されるコイルの下層配線と、こ
のコイルの下層配線の上方に形成される軟磁性コアと、
この軟磁性コアの上方に配置され、前記コイルの下層配
線と接続されるコイルの上層配線とを設けるようにした
ものである。
【0013】
【作用】本発明によれば、上記のように、 (1)半導体基板に集積される磁気検出素子において、
半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性
膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成され
る励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出
用コイルとを形成するようにしたので、感度が高く、し
かも正確に微弱な磁気の検出を行うことができ、しかも
超小型の半導体基板上に集積される磁気検出素子を得る
ことができる。
【0014】(2)特に、モノリシック半導体基板上に
薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変
化検出用コイルを積層することができる磁気検出素子を
提供することができる。 (3)半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを1タ
ーンずつ交互に巻き、かつ2つの軟磁性膜コアを用い
て、外部磁界がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻
線構造としているので、超小型で、高感度であり、かつ
非常に微弱な磁界が検出できる磁気検出素子を得ること
ができる。
【0015】(4)半導体基板に集積される磁性体を用
いた磁気検出モジュールにおいて、磁気検出素子、及び
その磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一
体化することにより、磁気検出モジュール全体を超小型
で実現することにより、超小型で、高感度であり、しか
も安価で大量生産に優れた磁気検出モジュールを得るこ
とができる。
【0016】(5)特に、モノリシック半導体基板上に
薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変
化検出用コイル、その磁気検出素子に必要な電子回路を
集積回路として一体化することができる磁気検出モジュ
ールを提供することができる。
【0017】
【実施例】本発明の実施例について図を参照しながら説
明する。図1は本発明の第1実施例の磁気検出素子の概
略構成図、図2はその磁気検出素子の動作を示すタイミ
ングチャートであり、図2(a)は軟磁性膜コア2aに
おける磁界の波形図、図2(b)は軟磁性膜コア2bに
おける磁界の波形図、図2(c)は軟磁性膜コア2aに
おける磁束密度の波形図、図2(d)は軟磁性膜コア2
bにおける磁束密度の波形図、図2(e)は検出コイル
3aに誘起される電圧V1 ,V2 の波形図、図2(f)
は検出コイル3aに誘起される電圧V1 +V2 の波形図
である。
【0018】これらの図に示すように、2つの軟磁性膜
コア2a,2bに、2つのコイル、つまり、検出コイル
(A−A′)3aと、励磁コイル(B−B′)3bを巻
いた構造を、半導体基板1上に構成する。なお、集積回
路を一体化せず、磁気検出素子のみ実現する場合には、
ガラス基板なども利用できる。励磁コイル3bを図のよ
うに巻くと、励磁交流電流によって生じるコア内の磁界
が、2つのコアで逆向きになる。一方、検出コイル3a
は、2つのコアにまたがって巻いており、このようにす
ると、励磁交流電流により電磁誘導のために発生する検
出コイル3aにおける誘起電圧は、2つのコア内の磁界
が逆向きなので打ち消される。コア軸方向から外部磁界
m が加わると、2つのコアに対し同じ向きに加わるの
で、励磁磁界をHe とすると、2つのコア内の磁界は、
それぞれHm +He ,Hm −Heとなる。このとき、図
2に示すように、検出コイル3aに電圧が誘起される。
その大きさを求めることにより、外部磁界Hm の大きさ
を知ることができる。
【0019】特に、半導体(シリコン)基板1を用いる
磁気検出素子において、励磁コイル3bと検出コイル3
aを2つの軟磁性膜コア2a,2bに1ターンずつ交互
に巻いた構造にすることが重要である。このように、半
導体基板1上で、励磁コイル3bと検出コイル3aを1
ターンずつ交互に巻き、かつ2つの軟磁性膜コア2a,
2bを用いて、外部磁界Hm がないとき、誘起波形の打
ち消しを行う巻線構造としている。
【0020】また、上記の構成とは異なり、1つのコア
に励磁コイルと検出コイルを巻いたものでも検出は可能
であるが、この場合には、外部磁界がなくても検出コイ
ルに大きな誘起電圧波形が生じてしまい、増幅やフィル
タリング等の検出コイル出力に対する信号処理が面倒に
なる。次に、図1に示される磁気検出素子を半導体基板
上に形成する場合の例を図3及び図4に示す。
【0021】図3は本発明の第1実施例を示す磁気検出
素子の概略平面図、図4は図3のC−C′線断面図であ
る。これらの図に示すように、半導体基板(シリコン基
板)11上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜(シリコン
酸化膜)12を形成し、その上に、2層の金属配線、つ
まり、コイルの下層配線13とコイルの上層配線18と
をスルーホール17を介して接続することにより、図1
に示したと同様な巻線構造の励磁コイル(B−B′)3
b、検出コイル(A−A′)3aを実現する。コイルの
上層配線18とコイルの下層配線13間に、絶縁膜(ポ
リイミドなど)14,16を介して軟磁性膜コア15を
挟んでいる。
【0022】従来型の(半導体基板を用いない)磁気検
出素子においても、2つのコアに励磁コイルと検出コイ
ルを巻いて、外部磁界がないときに、電磁誘導による誘
起波形を打ち消すようにしたものは存在している。半導
体基板を用いる場合は、励磁コイルと検出コイルを1タ
ーンずつ交互に巻いた構造とすることが重要である。そ
うしないと、軟磁性膜コアは、漏れ磁束が大きく、励磁
コイルによる磁束の変化を検出コイルで十分ピックアッ
プできなくなる。半導体基板上で、励磁コイルと検出コ
イルを1ターンずつ交互に巻き、かつ2つのコアを用い
て、外部磁界がないときと誘起波形の打ち消しを行う巻
線構造が発明の1つ特徴点である。
【0023】以下、上記した第1実施例を示す磁気検出
素子の製造方法について、図5を参照しながら説明す
る。図5は本発明の第1実施例を示す磁気検出素子の製
造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を
用いた場合で説明する。 (1)まず、図5(a)に示すように、シリコン基板1
1上に基板との絶縁のため、熱酸化により絶縁膜(シリ
コン酸化膜)12を形成する。
【0024】(2)次に、図5(b)に示すように、コ
イルの下層配線13となる金属材料を堆積し、ICプロ
セスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニ
ングを行う。金属材料としては、AlやCuを用いる。
堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Cuを厚
く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効であ
る。
【0025】(3)次に、図5(c)に示すように、絶
縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)14を堆積す
る。これは、スパッタやCVD(化学気相成長)による
シリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、
ポリイミドなどが利用できる。また、このとき、配線パ
ターンによって磁性膜の下地に凹凸ができないよう平坦
化を行う。
【0026】(4)次に、図5(d)に示すように、軟
磁性材料をを堆積し、パターニングし、軟磁性膜コア1
5を形成する。この堆積法としては、電気めっき法やス
パッタ法、蒸着法等が利用できる。また、軟磁性材料と
しては、パーマロイ(NiとFeの合金)、各種のアモ
ルファス磁性合金、及びこれらと非磁性材料を交互に積
み重ねた多層軟磁性膜が利用できる。
【0027】(5)次に、図5(e)に示すように、絶
縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)16を堆積す
る。 (6)次に、図5(f)に示すように、スルーホール1
7をホトリソグラフィとエッチングによって形成する。 (7)次に、図5(g)に示すように、コイルの上層配
線18となる金属材料を堆積し、パターニングを行う。
このとき磁性膜によって、大きな段差を生じるので、ホ
トリソグラフィにおいては、厚膜レジストを用いるか、
または多層レジスト工程などを応用する。
【0028】次に、本発明の第2実施例について説明す
る。図6は本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の概
略構成図である。この図に示すように、半導体基板上
に、同一平面に形成される2つの平面コイルからなる検
出コイル21a,21bと、その上方に配置される1つ
の平面コイルからなる励磁コイル22と、その上方であ
って、同一平面に形成される2つの軟磁性膜コア23
a,23bを配置する。すなわち、励磁コイル22と2
つの軟磁性膜コア23a,23bを図6のように重ねて
励磁すると、2つの軟磁性膜コア23a,23bは、互
いに逆向きに励磁される。これに、検出コイル21a,
21bを重ねると、各軟磁性膜コア23a,23bの下
の検出コイル21a,21bには、交流励磁電流によ
り、互いに逆極性の電圧波形が誘起される。そこで、検
出コイル21a,21bを図6のように巻けば、2つの
軟磁性膜コア23a,23b内の励磁磁束による誘起電
圧が打ち消され、第1実施例1と同様な作用効果が期待
される。
【0029】図7は本発明の第2実施例を示す磁気検出
素子の概略平面図、図8は図7のD−D′線断面図であ
る。図7及び図8において、半導体基板31上にはシリ
コン酸化膜などの絶縁膜32を形成し、その上に、2つ
の平面コイルからなる検出コイル(コイルの下層配線)
33を形成し、絶縁膜(ポリイミドなど)34を介し
て、その上方に励磁コイル(コイルの上層配線)35形
成し、更に、絶縁膜(ポリイミドなど)36を介して、
同一平面に形成される2つの軟磁性膜コア37を成形す
る。38はコンタクトである。
【0030】以下、上記した第2実施例を示す磁気検出
素子の製造方法について、図9を参照しながら説明す
る。図9は本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の製
造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を
用いた場合で説明する。 (1)まず、図9(a)に示すように、シリコン基板3
1上に基板との絶縁のため、熱酸化により絶縁膜(シリ
コン酸化膜)32を形成する。
【0031】(2)次に、図9(b)に示すように、コ
イルの下層配線33となる金属材料を堆積し、ICプロ
セスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニ
ングを行う。金属材料としては、AlやCuを用いる。
堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Cuを厚
く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効であ
る。
【0032】(3)次に、図9(c)に示すように、絶
縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)34を堆積す
る。これは、スパッタやCVD(化学気相成長)による
シリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、
ポリイミドなどが利用できる。また、このとき、配線パ
ターンによって磁性膜の下地に凹凸ができないよう平坦
化を行う。
【0033】(4)次に、図9(d)に示すように、コ
イルの上層配線35となる金属材料を堆積し、ICプロ
セスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニ
ングを行う。金属材料としては、AlやCuを用いる。
堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Cuを厚
く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効であ
る。
【0034】(5)次に、図9(e)に示すように、絶
縁をとるための絶縁膜(ポリイミドなど)36を堆積す
る。これは、スパッタやCVD(化学気相成長)による
シリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、
ポリイミドなどが利用できる。 (6)次に、図9(f)に示すように、軟磁性材料を堆
積し、パターニングを行い、軟磁性膜コア37を形成す
る。この堆積法としては、電気めっき法やスパッタ法、
蒸着法等が利用できる。また、軟磁性材料としては、パ
ーマロイ(NiとFeの合金)、各種のアモルファス磁
性合金、及びこれらと非磁性材料を交互に積み重ねた多
層軟磁性膜が利用できる。
【0035】このように構成することにより、第1実施
例に比べて、製作工程が簡単であり、スルーホールの数
も非常に少なくて済むので、歩留まりが向上する。更
に、上層配線の形成の際、大きな段差がないので、通常
のホトリソグラフィプロセスが適用できる。また、軟磁
性膜コアを一番最後に形成できるので、素子を製作する
過程において発生する熱的なストレスが軟磁性膜コアに
発生せず、軟磁性膜コアの特性が向上できる。
【0036】次に、本発明の第3実施例について説明す
る。図10は本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュ
ールの概略構成図である。この図に示すように、半導体
(シリコン)基板41上に励磁コイル駆動用集積回路4
2、磁気検出素子43及び磁気検出信号処理用集積回路
44を組み合わせ、磁気検出モジュールを構成してい
る。
【0037】ここで、磁気検出素子43としては、上記
第1実施例及び第2実施例で述べた検出素子を用い、こ
の磁気検出素子と必要な電子回路を同一半導体基板41
上に集積化する。図11は本発明の第3実施例を示す磁
気検出モジュールとして組み込まれる集積回路のブロッ
ク図、図12はその磁気検出モジュールの回路動作を示
すタイミングチャートである。 図11において、この
磁気検出モジュールは、大別すると、励磁コイル駆動用
集積回路51、磁気検出素子55と磁気検出信号処理用
集積回路56からなる。 そして、励磁コイル駆動用集
積回路51は、パルス発振器52、分周回路53及び駆
動回路54からなる。
【0038】また、磁気検出素子55は、コア55c、
励磁コイル55a、検出コイル55bからなる。更に、
磁気検出信号処理用集積回路56は、高周波増幅器5
7、クロス結合スイッチ回路58、低域通過フィルタ5
9、位相調整及び制御信号発生部60を有している。
【0039】まず、パルス発振器52で電圧パルスP1
(4f0 )を発生し、この電圧パルスP1 (4f0
を、まず分周回路(第1段)53に通して、周波数が1
/2でデューティ比が50%のパルスP2 (2f0 )に
変換する。このパルスの周波数(2f0 )は、十分高い
感度が得られるよう1MHz程度以上の高い周波数とす
る。さらに、分周回路(第2段)53により、周波数が
その1/2のパルスP3(f0 )を生成する。駆動回路
54では、このパルスP3 (f0 )を3角波に変換し、
磁気検出素子55の励磁コイル55aを3角波状の電流
4 で駆動する。このとき、磁気検出素子55の検出コ
イル55bには、外部磁界がなければ、電圧は現れず、
外部磁界が加わったとき、図12(e)に示すような波
形が現れる。ここで、磁界の向きが順方向のとき、実線
のような波形であるとすると、逆方向の磁界に対して
は、破線のような波形となる。この波形を高周波増幅器
57により増幅した後、クロス結合スイッチ回路58に
通す。ここでは、初段の分周回路の出力をもとにして発
生した図12(a)と図12(b)のような2つのパル
スを用いて、電圧の極性を切り替えることにより、図1
2(f)のような波形に変換する。
【0040】図13はそのクロス結合スイッチ回路の動
作の説明図であり、電圧の極性の切り替えの原理を示し
ている。この図において、制御信号φが“1”の場合、
ストレートに接続されるようスイッチが制御され、入出
力の電圧の極性は同じであるが、φが“0”の場合、接
続がクロスするようスイッチが制御され、電圧の極性が
反転する。したがって、図12のようなタイミングで制
御すれば、図12(f)のような波形が得られる。この
後、これを低域通過フィルタ59に通せば、図12
(g)の波形の直流成分が得られるが、その大きさは、
外部直流磁界の大きさに比例しており、外部磁界が測定
できる。なお、逆方法の磁界の場合には、図12(g)
の波形は破線の通りとなり、低域通過フィルタの通過後
は、逆極性の電圧が得られる。すなわち、方向性を持っ
た検出を行うことができる。
【0041】上記のクロス結合スイッチ回路をMOSト
ランジスタ回路で実現すると、図14に示すような回路
となる。次に、本発明の第4実施例について説明する。
図15は本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュール
の概略構成図である。この実施例では、検出コイルの代
わりに、半導体磁気センサを用いるようにしたものであ
る。より具体的には、図15(a)においては、中央に
ホール素子を用いた半導体磁気検出素子61を配置し、
これを軟磁性コア62,63と励磁コイル64,65を
組み合わせて構成した磁気検出モジュールである。
【0042】また、図15(b)においては、中央に分
割ドレイン型磁気トランジスタを用いた半導体磁気検出
素子71を配置し、これを軟磁性コア72,73と励磁
コイル74,75を組み合わせて構成した磁気検出モジ
ュールである。これらは軟磁性コアによって磁束を収束
し、半導体磁気検出素子の感度を高めたものと考えるこ
とができる。十分な効果を得るために、まず、反磁界の
影響を考慮して十分に長いコアを用いる。2つのコアの
ギャップ部に半導体磁気検出素子を配置し、ギャップを
できる限り狭くする。また、コアにコイルを巻き、コア
の磁化が飽和する程度に十分大きな振幅の交流信号で励
磁する。半導体磁気検出素子は、この交流励磁電流によ
る磁界と外部磁界の和により生じたコアの磁束密度波形
の変化を検出する。外部磁界によって、磁束密度波形が
変化し、適当な信号処理を行うことによって、外部磁界
に比例した電圧を得ることができる。
【0043】このような交流励磁を用いないと、コアが
磁化してしまい、感度が下がったり、検出特性にヒステ
リシスを持つようになる。図16は本発明の第4実施例
を示す磁気検出モジュールを半導体基板上に実現する場
合の概略平面図、図17は図16のA−A線断面図であ
る。ここでは、半導体磁気検出素子としては、分割ドレ
イン型磁気トランジスタを2つ用いている。これは、単
結晶シリコン基板を用いて、結晶軸異方性エッチング台
形状の溝を作り、溝の斜面に、2つの磁気トランジスタ
を構成する。また溝の斜面を利用して、下層の金属配線
を形成し、また、溝の中に磁性材料を埋め込む。その上
に上層配線を形成して、スルーホールを経由して、下層
配線と螺旋状に接続することにより、コイルを形成す
る。このようにして、図15(b)と類似の構造が実現
できる。
【0044】図16及び図17において、81はp型単
結晶シリコン基板、84は深い部位に形成されるチャネ
ルとなるn型不純物層、85は浅い部位に形成される上
部ゲートとなるp型不純物層、87はnチャネル接合型
電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気ト
ランジスタのドレイン(n+ )拡散層、88はnチャネ
ル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン
型磁気トランジスタのソース(n+ )拡散層、89はシ
リコン酸化膜、90はコイルの下層配線、91は絶縁膜
(ポリイミドなど)、92は溝に埋め込まれた軟磁性材
料からなる軟磁性コア、93は絶縁膜(ポリイミドな
ど)、94はコンタクトホール、95はコイルの上層配
線、96はコンタクト、97は金属電極を示している。
【0045】図18は本発明の第4実施例を示す半導体
磁気センサ部の動作原理を示す図であり、この図を用い
て半導体磁気センサ部の動作原理について説明すると、
分割ドレイン型磁気検出素子は、チャネルの面に垂直に
磁界が加わったとき、キャリアである電子が、磁界によ
るローレンツ力を受けて軌道が曲げられることにより、
2つのドレイン間に電流差が生じ、その差が磁界の大き
さに比例することを利用するものである。
【0046】このような2つの磁気トランジスタが、図
18のような角度で配置され、接続されていると、図の
ような方向の磁界に対して、Ia1,Ib1が増加し、逆
に、I a2,Ib2は、減少する。したがって、単純に2つ
の磁気トランジスタを図18のように接続することによ
って、2つの磁気トランジスタの電流変化の和を求める
ことができる。また、各磁気トランジスタは、面に垂直
な方向に最大感度を持つが、これらは、コアの軸に対し
て傾いている。しかし、2つの和を求めることによっ
て、その合成出力はコアの軸方向に最大感度を持つよう
になる。
【0047】図19は本発明の第4実施例を示す磁気検
出モジュールの製造工程断面図である。ここでは、半導
体シリコン基板を用いた場合で説明する。 (1)まず、図19(a)に示すように、面方位100
のp型の単結晶シリコン基板81を用い、その上にシリ
コン酸化膜を成長させ、ホトリソによりシリコン酸化膜
82を形成する。
【0048】(2)次に、シリコン酸化膜82をマスク
として、図19(b)に示すように、結晶軸異方性エッ
チングにより、台形状の溝を形成する。これは、アルカ
リ系の特殊なエッチング液を用いると、100方向に比
べて111方向のエッチング速度が極端に遅くなること
を利用するものである。これによって111面に相当す
る面が斜面となる正確な台形状の立体構造が得られる。
その溝の斜面にnチャネル接合型電解効果トランジスタ
をベースにした分割ドレイン型磁気トランジスタを作成
する。まず、パターニングされたフォトレジスト83を
マスクとして、イオン注入によりn型不純物を深く導入
して、チャネルとなるn型不純物層84を形成する。次
いで、p型不純物を浅く導入し、上部ゲートとなるp型
不純物層85を形成する。
【0049】(3)次に、図19(c)に示すように、
熱処理を兼ねてシリコン酸化膜86を熱酸化により成長
させる。 (4)次に、図19(d)に示すように、ソース、ドレ
インの部分の酸化膜を除去し、この部分に電極をとるた
め、高濃度のn型不純物を導入し、nチャネル接合型電
解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トラ
ンジスタのドレイン(n+ )拡散層87と、nチャネル
接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型
磁気トランジスタのソース(n+ )拡散層88とを形成
する。これは、熱拡散、イオン注入いずれでも可能であ
る。
【0050】(5)次に、図19(e)に示すように、
シリコン酸化膜89を再度全体的に成長させた後、コイ
ルの下層配線90となる金属材料を堆積し、パターニン
グを行う。 (6)次に、図19(f)に示すように、絶縁材料から
なる絶縁膜(ポリイミドなど)91を堆積した後、溝の
中に埋め込まれた形に軟磁性材料を堆積した後、パター
ニングし、軟磁性コア92を形成する。
【0051】(7)次に、再度絶縁膜(ポリイミドな
ど)93を堆積し、コンタクトホール94を形成した
後、コイルの上層配線95を堆積してパターニングし、
コイルの上層配線95とコイルの下層配線90とをコン
タクト96で接続してコイルの構造を完成するととも
に、磁気トランジスタのソース、ドレインへの金属電極
97を形成する。
【0052】図20に、図16に示した磁気検出モジュ
ールの構成を示す。その動作を図21のタイミングチャ
ートを用いて説明する。パルス発振器101から出力さ
れ、図21(a)に示す基準クロックaを分周回路10
2に通し、図21(b)に示す1/2の周波数でデュー
ティ比が50%のパルスbを生成する。コイルの駆動回
路103で、図21(c)に示す3角波状の波形cに変
換し、コアの磁化が十分飽和する程度に大きな振幅でコ
アを駆動する。このとき、コア内の磁束密度波形は、磁
界の振幅が大きくなったところで飽和し、これを2つの
コアのギャップ部に挟んだ磁気トランジスタで検出する
と磁気トランジスタには、コア内の磁束密度波形と同様
な、図21(d)に示す電圧波形dが発生する。外部磁
界がない場合は、対称的な波形であるが、外部直流磁界
が重畳すると、破線のように波形が変化する。磁気トラ
ンジスタの出力を、AC(交流)アンプ108で増幅す
るとともに、直流成分をカットすると、図21(e)の
ようになり、外部磁界がない場合変化はないが、外部磁
界が加わった場合では、破線のように変化する。そこ
で、台形状の波形の正と負のピーク値をそれぞれサンプ
ルし、これらの和を求めることで台形の高さの差を求め
ることができる。この値は、外部の磁界に比例してい
る。このような演算は、スイッチトキャパシタ方式の減
算器110とS/H(サンプル/ホールド)回路120
により行うことができる。まず、図21(f)のような
パルスを生成してこれによって負のピーク値のサンプリ
ングを行い、その電圧でキャパシタC1 を充電する。次
に、図21(g)のパルスで正のピーク値のサンプリン
グを行うと、キャパシタC1 にその電圧が充電されると
ともに、正負のピーク値の差に比例した電荷がキャパシ
タC2 に転送される。これにより生じた図21(h)に
示す電圧(h)をS/H回路120でサンプルして保持
することにより、図21(i)のような直流電圧が得ら
れる。その大きさは、外部磁界に比例している。
【0053】なお、図20において、105は直流電
源、106及び107は抵抗、109は制御パルス発生
回路、111,112,113,116及び121はス
イッチ、C3 はキャパシタである。なお、104は検出
コイル、114,122はMOS型オペアンプである。
このような電子回路は、第3実施例の場合と同様、検出
素子とともに同一シリコン基板上に作製し、集積化する
ことができる。
【0054】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0055】
【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
れば、以下のような効果を奏することができる。 (1)半導体基板に集積される磁気検出素子において、
半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性
膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成され
る励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出
用コイルとを形成するようにしたので、感度が高く、し
かも正確な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型
の半導体基板上に集積される磁気検出素子を得ることが
できる。
【0056】(2)特に、モノリシック半導体基板上に
薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変
化検出用コイルを積層することができる磁気検出素子を
提供することができる。 (3)半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを1タ
ーンずつ交互に巻き、かつ2つの軟磁性膜コアを用い
て、外部磁界がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻
線構造としているので、超小型で、高感度であり、しか
も極めて微弱な磁界を検出できる磁気検出素子を得るこ
とができる。
【0057】(4)半導体基板に集積される磁性体を用
いた磁気検出モジュールにおいて、磁気検出素子、及び
その磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一
体化することにより、磁気検出モジュール全体を超小型
で実現することにより、超小型で、高感度であり、しか
も安価で大量生産の容易な磁気検出モジュールを得るこ
とができる。
【0058】(5)特に、モノリシック半導体基板上に
薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変
化検出用コイル、その磁気検出素子に必要な電子回路を
集積回路として一体化することができる磁気検出モジュ
ールを提供することができる。このようにして得られる
磁気検出素子及び磁気検出モジュールは、例えば、地磁
気検出によるナビゲーションシステム、地磁気変動モニ
タ(地震予知)、一部の生体磁気計測、金属材料の欠陥
検出、間接的な応用として、磁気エンコーダ、無接点ポ
テンションメータ、電流センサ、トルクセンサ、変位セ
ンサ等として、広汎な利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の磁気検出素子の概略構成
図である。
【図2】本発明の第1実施例の磁気検出素子の動作を示
すタイミングチャートである。
【図3】本発明の第1実施例を示す磁気検出素子の概略
平面図である。
【図4】図3のC−C′線断面図である。
【図5】本発明の第1実施例を示す磁気検出素子の製造
工程断面図である。
【図6】本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の概略
構成図である。
【図7】本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の概略
平面図である。
【図8】図7のD−D′線断面図である。
【図9】本発明の第2実施例を示す磁気検出素子の製造
工程断面図である。
【図10】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュー
ルの概略構成図である。
【図11】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュー
ルとして組み込まれる集積回路のブロック図である。
【図12】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュー
ルの回路動作を示すタイミングチャートである。
【図13】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュー
ルのクロス結合スイッチ回路の動作の説明図である。
【図14】本発明の第3実施例を示す磁気検出モジュー
ルのクロス結合スイッチ回路をMOSトランジスタ回路
で実現した回路図である。
【図15】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュー
ルの概略構成図である。
【図16】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュー
ルを半導体基板上に実現する場合の概略平面図である。
【図17】図16のA−A′線断面図である。
【図18】本発明の第4実施例を示す半導体磁気センサ
部の動作原理を示す図である。
【図19】本発明の第4実施例を示す磁気センサの製造
工程断面図である。
【図20】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュー
ルの構成図である。
【図21】本発明の第4実施例を示す磁気検出モジュー
ルのタイミングチャートである。
【符号の説明】
1,11,31,41 半導体基板(シリコン基板) 2a,2b,15,23a,23b,37 軟磁性膜
コア 3a,21a,21b,55b 検出コイル 3b,22,55a,64,65,74,75 励磁
コイル 12,32 絶縁膜(シリコン酸化膜) 13,33,90 コイルの下層配線 14,16,34,36,91,93 絶縁膜(ポリ
イミドなど) 17 スルーホール 18,35,95 コイルの上層配線 38 コンタクト 42,51 励磁コイル駆動用集積回路 43,55 磁気検出素子 44,56 磁気検出信号処理用集積回路 52,101 パルス発振器 53,102 分周回路 54,103 駆動回路 55c コア 57 高周波増幅器 58 クロス結合スイッチ回路 59 低域通過フィルタ 60 位相調整及び制御信号発生部 61,71 半導体磁気検出素子 62,63,72,73,92 軟磁性コア 81 p型単結晶シリコン基板 82,86,89 シリコン酸化膜 83 フォトレジスト 84 チャネルとなるn型不純物層 85 上部ゲートとなるp型不純物層 87 分割ドレイン型磁気トランジスタのドレイン
(n+ )拡散層 88 分割ドレイン型磁気トランジスタのソース(n
+ )拡散層 94 コンタクトホール 96 コンタクト 97 金属電極 105 直流電源 106,107 抵抗 108 AC(交流)アンプ 109 制御パルス発生回路 110 減算器 111,113,116,121 スイッチ 120 S/H(サンプル/ホールド)回路

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板に集積される磁気検出素子に
    おいて、(a)半導体基板上に形成される軟磁性膜コア
    と、(b)該軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金
    属膜により形成される励磁コイルと、(c)金属膜によ
    り形成される磁束変化検出用コイルとを形成したことを
    特徴とする磁気検出素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の磁気検出素子において、
    前記軟磁性膜コアを2個並設し、前記軟磁性膜コアに励
    磁コイルnターン(nは正の整数)と磁束変化検出用コ
    イルmターン(mは正の整数)を交互に繰り返し巻いた
    構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる
    誘導波形を打ち消すようにした磁気検出素子。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の磁気検出素子において、
    前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを2つの平面コ
    イルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構
    造を有する磁気検出素子。
  4. 【請求項4】 半導体基板に集積される磁性体を用いた
    磁気検出モジュールにおいて、(a)前記半導体基板上
    に形成される軟磁性コアと、該軟磁性コアを交流的に励
    磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金
    属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有する
    磁気検出素子と、(b)前記励磁コイルに接続され、前
    記半導体基板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路
    と、(c)前記磁束変化検出用コイルに接続され、前記
    半導体基板上に集積される磁気検出信号処理用集積回路
    とを具備する磁気検出モジュール。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の磁気検出モジュールにお
    いて、前記励磁コイル駆動用集積回路は、パルス発振器
    と分周回路と駆動回路とを具備する磁気検出モジュー
    ル。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の磁気検出モジュールにお
    いて、前記磁気検出信号処理用集積回路は、制御信号発
    生回路と高周波増幅器とクロス結合スイッチと低域通過
    フィルタとを具備する磁気検出モジュール。
  7. 【請求項7】 半導体基板に集積される磁性体を用いた
    磁気検出モジュールにおいて、(a)半導体基板上に形
    成される半導体磁気検出素子と、(b)該半導体磁気検
    出素子を挟むように配置される一対の軟磁性コアと、
    (c)該軟磁性コアに巻き回される金属膜により形成さ
    れる励磁コイルとを具備する磁気検出モジュール。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の磁気検出モジュールにお
    いて、前記半導体磁気検出素子はホール素子である磁気
    検出モジュール。
  9. 【請求項9】 請求項7記載の磁気検出モジュールにお
    いて、前記半導体磁気検出素子は分割ドレイン型磁気ト
    ランジスタである磁気検出モジュール。
  10. 【請求項10】 半導体基板に集積される磁性体を用い
    た磁気検出モジュールにおいて、(a)半導体基板の中
    央部に形成される分割ドレイン型磁気トランジスタと、
    (b)該磁気トランジスタの両側に形成される溝と、
    (c)該溝の底部に形成され、前記磁気トランジスタに
    接続される配線層と、(d)前記溝の下部に形成される
    コイルの下層配線と、(e)該コイルの下層配線の上方
    に形成される軟磁性コアと、(f)該軟磁性コアの上方
    に配置され、前記コイルの下層配線と接続されるコイル
    の上層配線とを具備する磁気検出モジュール。
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