JPS6216558B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、Ｎ型シリコンホール素子を含む半導
体素子を絶縁性樹脂材料で封止してなる樹脂封止
型半導体装置に関する。 近年、半導体材料の研究や製造技術の進歩に伴
い、感磁効果として知られるホール効果を利用し
ていくつかの種類のホール素子が実用化されてい
る。磁界に対する感度は、インジユウム・アンチ
モン（InSb）、ガリユウム・ヒ素（GaAs）等が
シリコンに比べて優れているが、シリコンを用い
た集積回路技術の発展によつて高利得増幅回路の
形成が容易になり、ホール素子と例えば差動増幅
回路等の増幅回路とを組合わせて十分な磁界感度
が得られるシリコンホール素子を内蔵した集積回
路素子、所謂シリコンホールICが実現されてい
る。このシリコンホールICは、増幅回路のみな
らず周辺回路の内蔵も可能である。また、通常の
シリコンICの回路技術及び製造技術がそのまま
利用できるなど他の半導体材料には見られない利
点を有する。更に、一般の半導体装置と同様に半
導体素子の保護と劣化防止、また長期間に亘る電
気的特性維持などの目的で使用される絶縁樹脂材
料を用いた樹脂封止型外囲器を用いることができ
るので、製造が容易で量産性に優れ廉価である等
の多くの利点を有する。 第１図Ａ乃至同図Ｃは、樹脂封止型半導体感磁
装置の１例を示すものであり、同図Ａは同樹脂封
止型半導体感磁装置の断面図、同図Ｂは、平面
図、同図Ｃは要部を拡大した平面図である。図中
１は、半導体素子であり例えば金属材料からなる
台床２上に載置固定され、電極端子となる金属リ
ード３に金属細線４によつてボンデイング接続さ
れている。この半導体素子１は絶縁性樹脂からな
る外囲器５で封止されて樹脂封止型半導体感磁装
置６を構成している。半導体素子１には、同図Ｃ
に示す如く、エピタキシヤル層あるいは拡散層、
イオン注入層等で形成されたＮ型シリコンホール
素子７が設けられている。Ｎ型シリコンホール素
子７には、電流電極８ａ、８ｂと電流方向に対し
て垂直方向に形成される出力電圧電極９ａ，９ｂ
が形成されている。このようなホールICの場
合、半導体素子１にはＮ型シリコンホール素子７
の他に所定の集積回路を構成するトランジスタ、
ダイオード、抵抗等の素子が同時に形成されてい
る。 Ｎ型シリコンホール素子７は、例えばインジユ
ウム・アンチモン（InSb）等のホール素子に比
べて感度が劣るため、また、磁界に対するホール
出力が微少であるため実用的には一桁以上の増幅
率をもつ増幅回路を必要とする。従つて、ホール
素子に僅な不平衡出力電圧があつてもこの平衡点
は非常に大きくなつてしまい。ホールICの正常
動作に重大な影響を及ぼす。不平衡出力電圧を
IC外部から調整することも可能であるが、ICの
価値が下がる。このためホール素子に発生する不
平衡電圧を極力抑えることがホールICの性能向
上には不可欠である。ホール素子の不平衡電圧の
原因のうちホール素子の動作層の厚み、濃度分布
等の不均一性や電極位置ずれといつた要因は、集
積回路技術の進歩により実用的にはかなり改善さ
れていること、及び予め回路設計、パターン設計
の段階で歩留を考慮した設計が可能であること、
更に組立工程前の検査で不良品の判定が出来るた
め製造コストが高くつく組立工程での損失を防止
できる等の理由から大きな問題とはならない。 しかしながら、樹脂封止工程後、封止用樹脂と
シリコンの熱膨張係数の差に起因した歪が半導体
素子１加わるため、シリコンホール素子７の平衡
電圧が不平衡となる問題がある。 従来、このような歪により発生するホール素子
の不平衡電圧を少なくするため、歪感度が最少と
なる結晶方位にシリコンホール素子７を配置する
技術手段が提案されている。この技術手段は、半
導体素子１の結晶面を｛110｝とし、シリコンホ
ール素子７の電流方向を（100）または（110）結
晶方位とすることにより、ピエゾ抵抗係数をほぼ
零となることを利用したものである。しかしなが
ら、全ての応力成分に対するピエゾ抵抗係数を零
にできないため応力により発生する不平衡電圧を
避けることができず、ホールICの高精度化、高
性能化の障害となる問題があつた。 本発明は、かかる点の鑑みてなされたものであ
り、Ｎ型シリコンホール素子を含む半導体素子の
樹脂封止工程後に発生する不平衡電圧の値を極力
小さくした構造を有して実用性の高い樹脂封止型
半導体装置を提供するものである。 本発明は、要約すると次の通りである。 シリコン単結晶｛111｝面を基板とする半導体
素子の一辺を〔110〕結晶方位または〔110〕結晶
から角度60度の方位に平行もしくは垂直とし、電
流方向が半導体素子の中心を通り〔110〕結晶方
位または〔110〕結晶方位から60°の方向に垂直
となる中心線に平行もしくは垂直とし、かつその
中心線上もしくはその近傍になるように形成され
たＮ型シリコンホール素子を含む集積回路を前述
の半導体素子内に形成し、この半導体素子を絶縁
性樹脂からなる外囲器で封止した構造とすること
により、樹脂封止歪に起因するＮ型シリコンホー
ル素子等への悪影響を排除し、上述の目的を達成
した樹脂封止型半導体感磁装置である。また、上
述と同様の半導体素子内に前記中心線を対称軸に
して２個のＮ型シリコンホール素子を対称に形成
し、かつ各々のＮ型シリコンホール素子内に流れ
る電流を中心線と平行に流れるようにして直列に
ホール出力を取り出すことにより上述の目的を達
成した樹脂封止型半導体感磁装置である。 以下、本発明について図面を参照して説明す
る。 本発明の樹脂封止型半導体感磁装置（以下、単
に感磁装置と記す。）は、例えば第２図に示す如
く、シリコン単結晶からなる半導体基板に半導体
素子１０を形成し、半導体素子１０の内部にはエ
ピタキシヤル層、拡散層、或はイオン注入層など
で形成された方形または矩形のＮ型シリコンホー
ル素子及びホール出力を増幅する回路、周辺回路
等を構成するトランジスタ、ダイオード、抵抗等
を集積している。半導体素子１０は、金属などか
らなる台床１２に載置され、電極端子となる金属
リード１３に金属細線１４によつてボンデイング
接続されている。半導体素子１０は、絶縁性樹脂
からなる外囲器１５で封止されている。 ここで、半導体素子１０は、シリコン単結晶の
｛111｝面を基板にしている。今、半導体素子１０
の中心を通つて半導体素子１０の縦・横の各辺に
平行な夫々の中心線をx₁座標軸１６ａ、x₂座標軸
１６ｂと定義すると、例えばx₁座標軸１６ａの方
位は、第３図Ａに示す如く（110）結晶方位に平
行、或は、同図Ｂに示す如く（110）結晶方位か
ら60゜の方位と平行である。ここで、第３図Ｂに
おいてX₁の方向は＜111＞結晶面内で＜110＞方
向から60゜の方向であり、X₂の方向は＜111＞結
晶面内で＜110＞方向から150゜の方向として特定
されるものである。これらの方向は計算により結
晶方位の数値で表現できるが、説明を簡略するた
めこのような結晶面内での角度による特定にて表
現している。 Ｎ型シリコンホール素子１１には、１対の電流
電極端子１７ａ，１７ｂがＮ型シリコンホール素
子１１の相対向する辺の近傍に対向して形成され
ている。また、他の対向する２辺上には１対の出
力電圧電極端子１８ａ，１８ｂが形成されてい
る。また、Ｎ型シリコンホール素子１１は、第２
図から明らかな様にその電流方向をx₁座標軸１６
ａまたはx₂座標軸１６ｂに平行もしくは垂直とな
るようにして、かつＮ型シリコンホール素子１１
の中心をx₂座標軸１６ｂの長手方向に沿つてx₂座
標軸１６ａを含む中心部領域内に配置して設けら
れている。なお、半導体素子１０は外囲器１５に
対して90゜回転させて封止しても良い。 このように構成された感磁装置２０によれば、
応力により発生するＮ型シリコンホール素子１１
の不平衡電圧（Ｖ_p）は、ピエゾ抵抗効果により
求められる。今、第４図に示す如く、Ｎ型シリコ
ンホール素子１１に対して出力電圧電極端子１８
ａ，１８ｂ方向をx₁座標軸１６ａ、電流電極端子
１７ａ，１７ｂ方向をx₂座標軸１６ｂ，これらの
座標軸と直交する方向をx₃座標軸とするx₁‐x₂‐
x₃座標軸を定義する。 x₁座標軸方向の不平衡電界E₁（x₁）は、ホール
素子を流れる電流の密度J₂（ｘ）を用いてピエゾ
抵抗効果から と求まる。 ここで、ρはＮ型シリコンホール素子１１の抵
抗率、π_６〓はピエゾ抵抗係数テルソン、τ〓
（x₁x₂）は応力テンソン成分で一般的には半導体素
子１０内の位置により異なる。なお、τ_１＝σ_x
１、τ_２＝σ_x2、τ_３＝σ_x3、τ_４＝τ_x2x3、τ
_５＝τ_x3x1、τ_６＝τ_x1x2である。 (1)式より不平衡電圧Ｖ_pは、 となる。(2)式よりＶ_pを零とするためには、π_６
〓または∫^ｗ／２ _−ｗ／２τ〓（x₁x₂）dx₁がβ＝１か
らβ
＝６まで全て零になれば良い。 第５図は、Ｎ型シリコンのピエゾ抵抗係数π_６
〓の結晶方位依存性を求めたものである。同図か
らピエゾ抵抗係数（π_６〓）（β＝_4〜6）が最小
となる方位を求め、β＝１〜３については例えば
Pfannの文献の表３（JOURNAL OF APPLIED
PHYSICS VOUME32 NUMBER10、
OCTOBER、1961のP2008、P2017参照）及び中
村博氏・杉山進氏の「Siのピエゾ抵抗効果の結晶
異方性」に関する文献（応用物理、昭和51年
（1976年）、Vol45、P179〜180参照）から第１表
に示すようにπ₆₁、π₆₂、π₆₃が所定の面方位及
び結晶方位で「０」であることを求めた。

【表】 同表から〔110〕結晶方位及び〔110〕結晶方位
から60゜の方位ではπ₆₁＝π₆₂＝π₆₃＝π₆₄＝０、
π₆₅≠０、π₆₆≠０となり、〔110〕結晶方位から
30゜及び90゜の方位ではπ₆₁＝π₆₂＝π₆₃＝π₆₅＝
０、π₆₄≠０、π₆₆≠０となることがわかる。 電流方向が〔110〕結晶方位または〔110〕結晶
方位から60゜の方位に平行もしくは垂直のときの
(2)式は、 Ｖ^o〓−ρJ₂〔π₆₅∫^ｗ／２ _−ｗ／２τ_５（x₁x₂）dx₁＋π₆₆∫^ｗ／２ _−ｗ／２τ_６（x₁x₂）dx₁〕 (3) で表わすことができる。 一方、ピエゾ抵抗効果を利用した応力センサー
を半導体素子１０内に多数形成し、樹脂封止によ
る半導体素子１０の表面の応力分布を実験的に検
討したところ、各応力成分ともその分布状態は半
導体素子１０内で極めて良い対称性を有すること
が明らかとなつた。なお、この実験では矩形また
は方形の半導体素子１０を矩形または方形の外囲
器１５のほぼ中央部にそれぞれ平行になるように
配置している。これらの結果から応力成分τ_５及
びτ_６の半導体素子１０内の分布を調べたものが
第５図Ｂ及び同図Ｃである。なお、第５図Ｂ及び
同図Ｃの測定に用いた試料の仕様は次の通りであ
る。半導体素子１０は、３×３mmの大きさで厚さ
が300μｍ、外囲器１５はDIP（Dual Inline
Package）24pinで厚が3.5mm、金属台床１２は厚
さ250μｍのリン青銅で外囲器１５のほぼ中心に
配置されている。外囲器１５はフエノールノボラ
ツクエポキシ樹脂175℃で成形したものである。 第５図Ｂから半導体素子１０内のτ_５の分布
は、同図Ｂに示すｙ軸に対してほぼ対称で符号が
異なり、また第５図Ｃから明らかなように半導体
素子１０内の応力成分τ_６の分布は第２図に示す
x₁座標軸１６ａ及びx₂座標軸１６ｂに対して対称
で負号が異なることから、第２図に示すようにＮ
型シリコンホール素子１１の中心が第３図Ａまた
は同図Ｂに示すx₂座標軸１６ｂまたはその近傍に
し、かつ電流方向をx₁座標軸１６ａまたはx₂座標
軸１６ｂに平行に配置することにより(3)式は、 Ｖ^o＝−ρJ₂π₆₆〔∫^ｏ _−ｗ／２τ_６（x₁x₂）dx₁−∫^ｗ／２ _ｐτ_６（x₁x₂）dx₁〕〓０ (4) となる。すなわち、シリコン単結晶を基板とする
半導体素子１０の一辺の方向（x₁座標軸１６ａ）
を第３図Ａ及び同図Ｂに示すいずれかのx₁結晶軸
とし、Ｎ型シリコンホール素子１１の中心をx₂座
標軸１６ｂまたはその近傍に、電流方向がx₁座標
軸１６ａまたはx₂座標軸１６ｂとほぼ平行となる
ように配置することにより、樹脂封止歪により発
生するＮ型シリコンホール素子１１の不平衡電圧
をほぼ完全に無くすことができる。 このように構成された本発明の感磁装置２０に
よれば、樹脂封止後半導体素子１０１０に加わる
応力により発生するＮ型シリコンホール素子１１
の不平衡電圧をほぼ完全に無くすことができ、半
導体素子１０の樹脂封止工程前の性能をほぼその
まま樹脂封止後も活かすことができる。また、格
別な樹脂封止技術を駆使する必要がないので生産
性に富み、、実用性が高く種々のホールICに適用
できる等の効果を有する。 次に、本発明の実施例について説明する。以下
の実施例１、２において特に明示しない限り次に
示す仕様で行われている。外囲器はフエノールノ
ボラツクエポキシ樹脂で厚さ3.5mmのDIP（Dual
Inline Package）16pinに温度175℃で形成する。
半導体素子は大きさ３mm×３mm、厚さ300μｍと
し、外囲器のほぼ中心に外囲器に対してほぼ平行
に固定する。金属台床はりん青銅を用いた。Ｎ型
シリコンホール素子は厚さ10μｍの0.5ΩcmのＮ
型エピタキシヤル層とした。Ｎ型シリコンホール
素子のＮ型領域の大きさは230μｍ×230μｍと
し、２つの電流電極端子間は190μｍ、出力電圧
電極端子はその間隔を200μｍとし、この２つの
電流電極端子の対称線上に配置してある。測定は
電流電極端子間に10Vの電圧を印加し、樹脂封止
工程前後の出力電圧電極間に生ずる不平衡電圧の
大きさを測定した。 実施例 １ 第６図Ａに示す如く、シリコン半導体素子６１
の中心６２を通り、半導体素子６１の各辺に平行
な座標軸ｘ軸６３ａ及びｙ軸６４ａを定義し、ｙ
＝1000μｍを通りｘ軸６３ａに平行な直線６３ｂ
上のａ〜ｆ点及びｌ点が中心となるようＮ型シリ
コンホール素子６２を配置した。Ｎ型シリコンホ
ール素子６５の電流電極端子方向はｙ軸６４ａに
平行な場合とｘ軸６３ａに平行な場合の２種類で
あり、それぞれについて半導体素子６１はシリコ
ン半導体基板の｛111｝面を用いてｘ軸方位が
〔110〕の場合と、〔110〕結晶方位から60゜の場合
について実験を行つた。評価結果は第２表に示す
通りであつた。

【表】 同表の結果から、ホール素子の配位として電流
方向を第６図Ｂに示すｘ軸６３ａまたはｙ軸６４
ａと平行とし、Ｎ型シリコンホール素子６５の中
心をｙ軸６４ａ上に設置することが最も望ましい
ことが判る。更に、ｙ軸６４ａを中心とした半導
体素子６１の大きさの約1/3の領域程度までかな
り効果が認められることが判る。（第６図の６６
の領域）この実験からＮ型シリコンホール素子６
５の配置として第６図Ｂに示す何れの場合であつ
ても良いことが判る。なお、第６図Ｂにおいてｘ
軸６３ａ、ｙ軸６４ａは、第６図Ａと同じく半導
体素子６１の中心を通り、半導体素子６１の各辺
に平行または垂直な座標軸である。また、図中６
８は電流電極端子、６９は電圧電極端子であり、
半導体素子６１はシリコン結晶基板で作製し、そ
の面方位は｛111｝、ｘ軸方位はそれぞれ〔110〕
結晶軸に平行または〔110〕結晶軸から60゜の方
位とする。更に、半導体素子６１は外囲器に対し
て90゜回転させて封止させても同様の効果がある
ことは勿論である。 実施例 ２ 第７図に示す如く、Ｎ型シリコンホール素子７
４，７５を半導体素子７１の中心及びｙ軸７３上
にｘ軸と角度θ傾けて配置する。ここで、半導体
素子７１の面方位は｛111｝、半導体素子７１に固
定した座標系のｘ座標軸の方位をそれぞれ
〔110〕または〔110〕から60゜方位と平行とす
る。θとして０゜、15゜、30゜、45゜、60゜、75
゜、90゜について実験を行い、その結果を第３表
に示した。

【表】 同表からＮ型シリコンホール素子７４，７５は
その電流方向が半導体素子１１のｙ軸７３に平行
もしくは垂直とすることが望ましいことが判つ
た。 実施例 ３ ホール素子の構造を第８図に示すように２つの
Ｎ型シリコンホール素子８１，８２を平行に配置
し、電圧電極端子８４，８５を金属配線で接続し
た構成とする。このときのホール出力は電極端子
８３，８６から得られる。ホール素子８１，８２
を第６図のａ〜ｆ及びｍ〜ｇの如く配置し、第４
表に示す組み合わせで不平衡電圧を測定した。電
流はそれぞれの電流電極端子８８，８７を並列に
接続し、これらの端子８８，８７間に10Vの電圧
を印加することにより流す。電流方向は第６図Ａ
でｙ軸と平行な方向となるようにＮ型シリコンホ
ール素子８１，８２を配置した。半導体素子６１
の結晶方位は｛111｝面とし、ｘ軸方向はそれぞ
れ〔110〕結晶軸または〔110〕から60゜の方位に
平行とした。測定結果を第４表に示す。第２表の
結果と比較してもわかるように、２つのＮ型シリ
コンホール素子８１，８２をｙ軸に対称に配置し
ても不平衡電圧を少なくすることが可能である。 このような構造のＮ型シリコンホール素子８
１，８２は、応力により発生する不平衡電圧が(3)
式において、 と表わせられる。ここでτ_５，τ_６はx₂軸すなわ
ちx₁＝０において符号の反転を伴なう対称分布と
なることから、 となる。なお、上式において、ｘ_pは第８図Ｂに
おいて、ｙ軸からそれぞれのＮ型シリコンホール
素子の中心までの距離であり、Ｗはそれぞれのホ
ール素子の電圧電極端子間距離である。

【表】 尚、本発明は、上記実施例１、２、３に限定さ
れず、例えば半導体素子は方形でなく矩形であつ
ても良く、樹脂封止用外囲器も矩形でなく方形で
あつても良い。また、Ｎ型シリコンホール素子は
エピタキシヤル層のみならず不純物拡散層あるい
はイオン注入層により形成しても良く、形状、大
きさもその設計仕様に応じて決定されたものでも
良い。しかしながら、半導体素子の周縁部にあつ
ては歪の乱れがあり、不平衡電圧のばらつきが大
きくなるので、少なくとも半導体素子の厚み以上
内部に形成した方が望ましい。 以上説明した如く、本発明に係る樹脂封止型半
導体感磁装置によれば、シリコン半導体素子に形
成されたＮ型シリコンホール素子の樹脂封止歪に
より発生する不平衡電圧を低くして、Ｎ型シリコ
ンホール素子を含むホールICの電気特性を樹脂
封止後も十分に確保できる実用性の高い樹脂封止
型半導体感磁装置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは、従来の樹脂封止型半導体感磁装置
の断面図、同図Ｂは、同装置の平面図、同図Ｃは
同装置の要部拡大図、第２図は、本発明に係る樹
脂封止型半導体感磁装置の平面図、第３図Ａ及び
同図Ｂは、半導体素子のｘ軸の方位を示す説明
図、第４図は、Ｎ型シリコンホール素子に流れる
電流密度を説明する説明図、第５図Ａはピエゾ抵
抗係数の結晶方位依存性を示す特性図、同図Ｂ及
び同図Ｃは、半導体素子内の応力成分の分布を示
す分布図、第６図Ａ及び同図Ｂは、本発明の一実
施例の説明図、第７図は、本発明の他の実施例の
説明図、第８図Ａ及び同図Ｂは、本発明の他の実
施例の説明図である。 １０……半導体素子、１１……Ｎ型シリコンホ
ール素子、１２……台床、１３……金属リード、
１４……金属細線、１５……外囲器、１７ａ，１
７ｂ……電流電極端子、１８ａ，１８ｂ……出力
電圧電極端子、２０……樹脂封止型半導体感磁装
置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁性樹脂部材で封止されたシリコン単結晶
   からなる半導体基板と、該半導体基板に形成され
   た結晶面方位が｛111｝面でかつその一辺が
   〔110〕結晶方位に平行となる方形または矩形の半
   導体素子と、該半導体素子内に形成されたＮ型シ
   リコンホール素子とを具備する樹脂封止型半導体
   感磁装置において、Ｎ型シリコンホール素子を前
   記半導体素子の中心を通つて〔110〕結晶方位と
   垂直な中心部領域に形成し、該Ｎ型シリコンホー
   ル素子の電流方向を該中心部領域に平行もしくは
   垂直に流れるようにせしめたことを特徴とする樹
   脂封止型半導体感磁装置。 ２ 半導体素子の一辺が〔110〕結晶方位から60
   度の方向に平行である特許請求の範囲第１項記載
   の樹脂封止型半導体感磁装置。 ３ 中心部領域の領域幅が半導体素子の中心を通
   る中心線から該中心線に対向する１辺までの距離
   の1/6である特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の樹脂封止型半導体感磁装置。 ４ 半導体素子を絶縁性樹脂部材からなる方形ま
   たは矩形の外囲器のほぼ中心部に該半導体素子の
   各々の表面が該外囲器の各々の表面とほぼ平行に
   なるように封止した特許請求の範囲第１項乃至第
   ３項のいずれか１項記載の樹脂封止型半導体感磁
   装置。 ５ 絶縁性樹脂部材で封止されたシリコン単結晶
   からなる半導体基板と、該半導体基板に形成され
   た結晶面方位が｛111｝面でかつその一辺が
   〔110〕結晶方位に平行となる方形または矩形の半
   導体素子と、該半導体素子内に形成されたＮ型シ
   リコンホール素子とを具備する樹脂封止型半導体
   感磁装置において、２つの同形のＮ型シリコンホ
   ール素子を１対とし、各々のＮ型シリコンホール
   素子を半導体素子の中心を通つて〔110〕結晶方
   位と垂直な中心線を線対称軸にして該半導体素子
   内に線対称に形成し、各々のＮ型シリコンホール
   素子の電流方向を前記半導体素子の〔110〕結晶
   方位または〔110〕結晶方位から60゜の方位と平
   行となる一辺に垂直で前記中心線と平行に流れる
   ようにせしめたことを特徴とする樹脂封止型半導
   体感磁装置。 ６ 半導体素子の一辺が〔110〕結晶方位から60
   度の方向に平行である特許請求の範囲第５項記載
   の樹脂封止型半導体感磁装置。 ７ 半導体素子を絶縁性樹脂部材からなる方形ま
   たは矩形の外囲器のほぼ中心部に該半導体素子の
   各々の表面が該外囲器の各々の表面とほぼ平行に
   なるように封止した特許請求の範囲第５項または
   第６項記載の樹脂封止型半導体感磁装置。