JPH04273170A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高感度化が可能な半導
体磁気センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現時点でもっともよく用いられている磁
気センサとしては、ホール効果を用いたホール素子があ
る。ホール素子は、構造が簡単で感度制御が容易であり
、また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、形状効果により高感度化が難しい
とされている。

【０００３】そこで、高感度化を可能にした磁気センサ
として、図１２および図１３に示すようなドリフト・ベ
ースのラテラルＰＮＰトランジスタ構造のセンサが提案
されている（Ｈ．Ｈａｌｂｏ　ａｎｄ　Ｊ．Ｈａｒａｉ
ｄｓｅｎ，　”Ｔｈｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄ
　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　−　Ａ
　Ｎｅｗ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｃｒａｎｋｓｈａｆ
ｔ　Ａｎｇｌｅ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ，”　ＳＡＥ８００
１２２　ｐｐ．７９−８２　（１９８０）　参照）。

【０００４】図１２は、従来の半導体磁気センサの一例
、図１３は図１２のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。 これらの図において、１はｐ型シリコン基板、２はｐ型
シリコン基板１上に形成されたｎ型エピタキシャル層、
３はｐ型素子分離拡散領域であり、この拡散領域３によ
り素子領域が取り囲まれることで、基板１からｐｎ接合
分離したｎ型エピタキシャル層の島が形成されている。 ４はｎ型エピタキシャル層２に拡散形成されたｐ型エミ
ッタ領域、５、６は同様にｎ型エピタキシャル層２に形
成されたｐ型コレクタ領域、７、８はベースとなるｎ型
エピタキシャル層２に電界を発生させるためのｎ＋ベー
ス拡散領域、９ａはエミッタ電極、９ｂおよび９ｃはコ
レクタ電極、９ｄおよび９ｅはベース電極、１０はシリ
コン酸化膜である。ｎ＋ベ−ス拡散領域７、８は、ｐ型
エミッタ領域４とｐ型コレクタ領域５、６とを挟むよう
に平行に相対向して設けられ、ｐ型コレクタ領域５、６
は、ｐ型エミッタ領域４を通りｎ＋ベ−ス拡散領域７、
８と直交する仮想線Ｓに対して対称に形成されている。

【０００５】次に、図１２、図１３に示す半導体磁気セ
ンサの動作について説明する。ベース電極９ｄ，９ｅ間
に、電極９ｄ側が正となるような電圧を印加すると、エ
ミッタ−コレクタ間のｎ型エピタキシャル層２中には、
エミッタ側からコレクタ側に向かうドリフト電界が発生
する。このような状態で、ｐ型エミッタ領域４を正にバ
イアスすると、正孔がｎ型エピタキシャル層２中に注入
され、その一部はドリフト電界で加速されて２つのｐ型
コレクタ領域５、６に達し、コレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ
２となる。今、外部磁界が半導体磁気センサに印加され
ていないとすると、構造の対称性からコレクタ電流Ｉｃ
１、Ｉｃ２は等しくなり、センサ出力（Ｉｃ１−Ｉｃ２
）／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）は零となる。一方、外部磁界が
センサに印加されると、ｎ型エピタキシャル層２中をド
リフトで走行する正孔はローレンツ力を受けて湾曲し、
コレクタ電流Ｉｃ１とＩｃ２とのバランスが崩れて、セ
ンサ出力が生じるようになる。

【０００６】このような構成の半導体磁気センサにおい
ては、エミッタ−コレクタ間の距離を大きくし、２つの
コレクタ間の間隔を狭くすることにより、ホール素子で
は得られない高感度な磁気センサを実現することが可能
となる。また、このような構造は通常のバイポーラ・プ
ロセスで実現できるので、周辺回路の集積化を容易に行
うことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来の半導体磁気センサは、キャリアの電流路がセン
サ内で特定されない構造となっているため、磁界による
変位を受けてもコレクタ領域５，６の各出力電流はあま
り変化しない。つまり、従来の半導体磁気センサでは、
センサ出力に寄与しないキャリアが相当数存在するため
、正孔が磁界により湾曲してもコレクタ電流の変動はそ
れほど大きくなく、所望の高感度が得られないという問
題があった。このため、高感度化を目的としてエミッタ
−コレクタ間の距離を長くすると、これらの間で再結合
で消滅してしまうキャリアが増加し、コレクタ電流が減
少してＳ／Ｎ比が低下してしまう。一方、コレクタ間の
距離を狭くし、コレクタ寸法を小さくしてキャリアの電
流路をある程度限定しようとした場合、フォトリソグラ
フィ、拡散等の製造プロセス上の限界があり、一定以上
の小型化は困難である。

【０００８】本発明の目的は、エミッタ−コレクタ間の
距離を長くすることなく高感度化を可能にする半導体磁
気センサの提供にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応づけて本発明を説明すると、本発明は、一導電型半導
体層２上に所定間隔を隔てて相対向して形成された一対
の同一導電型ベース領域７，８と、該一対のベース領域
７，８間に形成された反対導電型のエミッタ領域４と、
該エミッタ領域４を通り前記一対のベース領域７，８を
結ぶ仮想線Ｓの両側近傍に対称に形成された一対の反対
導電型コレクタ領域５、６と、該エミッタ領域４から前
記一導電型半導体層内に注入されたキャリアがコレクタ
領域に向けて流れる通路であって前記仮想線Ｓの近傍だ
けを含むように形成されたキャリア通路領域１２を有す
ることにより、上記問題を解決している。

【００１０】

【作用】キャリアの通路１２が、２つのコレクタ領域５
、６とエミッタ領域４とを結ぶ仮想線の両側近傍に限定
されたので、磁界印加による変位でセンサ出力に寄与し
ないような周辺部を通るキャリアが低減され、その結果
、高感度化が可能となる。

【００１１】なお、本発明の構成を説明する前記「課題
を解決するための手段」および「作用」の項では、本発
明を分かりやすくするために実施例の符号を用いたが、
これにより本発明が実施例に限定されるものではない。

【００１２】

【実施例】以下、図１〜図６を参照して本発明の実施例
について詳細に説明する。図１は、本発明による半導体
磁気センサが適用された第１実施例を示す図、図２は図
１のＢ−Ｂ′線に沿う矢視断面図、図３は図１のＣ−Ｃ
′線に沿う矢視断面図である。なお、以下の説明におい
て、前述した従来例と同様の構成要素については同一の
符号を付して相違点を主に説明する。

【００１３】本実施例では、エミッタ領域４とコレクタ
領域５、６とで挟まれる領域は、前記仮想線Ｓの両側近
傍の表面領域を残して、その両側および底部のｎ型エピ
タキシャル層２がエッチングにより除去されている。こ
の仮想線Ｓの両側近傍に残る領域（以降、活性ベース領
域１２と称する）は、図３に示すように逆三角形断面の
両持ち梁（ビーム）状に形成されている。なお、エッチ
ングにより除去された周辺領域は符号１１で示され、絶
縁膜を介してポリシリコンやポリイミド等の充填材が充
填されている。また、活性ベース領域１２は、幅がコレ
クタ領域５，６の間隔より狭く、長さがエミッタ領域４
とコレクタ領域５，６との間隔にほぼ等しく形成される
ことが望ましい。

【００１４】次に、図４〜図６を参照して、本実施例の
半導体磁気センサの製造方法について説明する。まず、
通常のバイポーラ・プロセスと同様に、（１００）ｐ型
シリコン基板１上にｎ型エピタキシャル層２を成長させ
た後、ｐ型素子分離拡散、ｐ型コレクタ・エミッタ拡散
、ｎ＋ベース拡散を行い、ｐ型素子分離拡散領域３、ｐ
型エミッタ・コレクタ領域４〜６、およびｎ＋ベース拡
散領域７、８をそれぞれ形成する。そして、シリコン酸
化膜１０をマスクとして、反応性イオン・エッチング（
ＲＩＥ）により活性ベース領域１２に相当する領域の両
側に溝１３を掘る（図４）。なお、この溝は〈１１０〉
方向に形成されているものとする。

【００１５】次に、ＫＯＨ、ヒドラジン、ＥＤＰ（エチ
レン・ジアミン・ピロカテロール水溶液）等の強アルカ
リ性異方性エッチング液を用いて、溝１３の内部をさら
にエッチングする。シリコンの（１１１）面のエッチン
グ速度は極めて遅いために、（１１１）面で囲まれた領
域が残った状態でエッチングが行われ、これにより、エ
ミッタ−コレクタ間のｎ型エピタキシャル層からなる断
面三角形状の活性ベース領域１２は、シリコン基板１と
は２点で支持されるようなビーム状に形成されることに
なる（図５）。

【００１６】この状態で酸化を行い、溝１３の内部およ
び活性ベース領域１２の側面にシリコン酸化膜（絶縁膜
）を形成し、ポリイミドの塗布、ポリシリコンのデポ等
により、溝１３内部を充填する（図６）。

【００１７】以下、コンタクト用の酸化膜のエッチング
を行い、Ａｌ（アルミニウム）を蒸着、パターニングし
て電極９ａ〜９ｅを形成することにより、図１〜図３に
示す半導体磁気センサが作製される。

【００１８】次に、本実施例の半導体磁気センサの動作
について説明する。ベース電極９ｄ，９ｅ間に、電極９
ｄ側が正となるような電圧を印加した状態で、ｐ型エミ
ッタ領域４を正にバイアスすると、上述したようにｎ型
エピタキシャル層２中に注入された正孔の一部はドリフ
ト電界で加速されて２つのｐ型コレクタ領域５、６に達
し、コレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２となる。今、外部磁界
が半導体磁気センサに印加されていないとすると、構造
の対称性からコレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２は等しくなり
、センサ出力（Ｉｃ１−Ｉｃ２）／（Ｉｃ１＋Ｉｃ２）
は零となる。一方、外部磁界がセンサに印加されると、
ｎ型エピタキシャル層２中をドリフトで走行する正孔は
ローレンツ力を受けて湾曲し、コレクタ電流Ｉｃ１とＩ
Ｃ２とのバランスが崩れて、センサ出力が生じるように
なる。

【００１９】ここで本実施例では、キャリアである正孔
の通路が、２つのコレクタ領域５、６の中点とエミッタ
領域４とを結ぶ仮想線Ｓの両側近傍に限定された活性ビ
ーム領域１２に特定されるので、磁界印加による変位で
センサ出力に寄与しないような周辺部を通るキャリアが
低減される。これによりエミッタ−コレクタ間の距離を
長くすることなくセンサの感度を高めることができ、現
実的なエミッタ−コレクタ間隔を有するセンサにおいて
も、極めて高い感度を実現することができる。

【００２０】また、本実施例に示すセンサの構造は、通
常のバイポーラ・プロセスをベースにして作成すること
ができ、周辺回路を内蔵したようなインテリジェント・
センサを容易に構成することができる。

【００２１】また、図１に示す半導体磁気センサと同様
に、キャリアの通路を特定する活性ビーム領域を有する
第２の実施例の製造方法を図７〜１０により説明する。 まず、ｐ型シリコン基板１の所定領域にｎ＋埋め込み層
１４を形成した後、ｎ型エピタキシャル層２を成長させ
る（図７）。ここで、ｎ＋埋め込み層１４は前記仮想線
Ｓを挟んだ所定幅に形成する。その後、ｐ型素子分離拡
散、ｐ型エミッタ・コレクタ拡散、ｎ＋ベース拡散を行
い、ｐ型素子分離拡散領域３、ｐ型エミッタ・コレクタ
領域４〜６、およびｎ＋拡散領域７、８をそれぞれ形成
する。次に、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によ
り、前記仮想線Ｓの近傍の一部の領域だけ残し、その両
側にｎ＋埋め込み層１４に達するような溝１５を掘る（
図８）。

【００２２】この状態で、溝１５の内部をＨＦ：ＨＮＯ
３：ＣＨ３ＣＯＯＨ＝１：３：８のようなｎ＋領域の選
択性エッチング液でエッチングを行い、ｎ＋埋め込み層
１４を除去して、シリコン基板１に２点で支持されるよ
うな断面矩形の活性ベース領域１６を形成する。さらに
、酸化を行って活性ベース領域１６の周囲を酸化膜で覆
う（図９）。

【００２３】次に、溝１５の内部をポリイミドの塗布、
ポリシリコンのデポ等により充填する（図１０）。以下
、コンタクト用の酸化膜のエッチングを行い、Ａｌ（ア
ルミニウム）を蒸着、パターニングして各電極を形成す
る。

【００２４】次に、図１１は、本発明が適用される半導
体磁気センサの第３の実施例を示す図である。本実施例
では、前述した実施例と同様にエピタキシャル層２内に
ｎ＋ベース拡散領域７、８、ｐ型エミッタ領域４、およ
びｐ型コレクタ領域５、６を作製した後（ただし、Ｐ型
素子分離拡散領域３は作成しない）、これらの各領域を
取り囲むように溝１１Ａ（図１１でハッチングで示す）
を掘り、その溝１１Ａ内に充填材を充填する。そして、
図１１に示すように、充填材１１間を跨ぐように溝１７
でｎ型エピタキシャル層２を切断することにより、素子
領域が基板から完全に絶縁されたいわゆるＳＯＩ構造と
なる。従って本実施例では、半導体磁気センサの耐高温
特性をさらに向上させることができる。

【００２５】なお、本実施例の半導体磁気センサは、第
１実施例の半導体磁気センサと同様の方法で製造でき、
素子領域がすべてビーム状の単結晶シリコン上に形成さ
れ、溝１１Ａおよび各ビームの下部には酸化膜を介して
充填材が充填された構造になる。

【００２６】以上、ラテラルＰＮＰトランジスタ構造の
磁気センサについて述べてきたが、ｐ型とｎ型とを交換
したラテラルＮＰＮトランジスタ構造の磁気センサにつ
いても適用可能である。

【００２７】また、前述した実施例においては、溝を形
成するためにＲＩＥを用いたが、この他に、（１）　　
深いｎ＋層を形成して、ＨＦ：ＨＮＯ３：ＣＨ３ＣＯＯ
Ｈ＝１：３：８のエッチング液でエッチングする、（２
）　　ＫＯＨ、ヒドラジン等の強アルカリ性異方性エッ
チング液でエッチングする、等の方法を用いることもで
きる。

【００２８】さらには、ＳＩＭＯＸ型のＳＯＩ基板を利
用して、本実施例に類似の半導体磁気センサを構成でき
る。

【００２９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、エミッタ領域を通り一対のベース領域を結ぶ仮想
線に沿って、エミッタ領域から半導体層に注入されたキ
ャリアがコレクタ領域に流れるようにキャリア通路を設
けたので、磁界印加による変位でセンサ出力に寄与しな
いような周辺部を通るキャリア、つまり出力電流として
検出されないキャリアが低減され、これによりエミッタ
−コレクタ間の距離を長くすることなくセンサの感度を
高めることができ、現実的なエミッタ−コレクタ間隔を
有するセンサにおいても極めて高い感度を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体磁気センサの第１実施例を
示す平面図である。

【図２】図１のＢ−Ｂ′線に沿う矢視断面図である。

【図３】図１のＣ−Ｃ′線に沿う矢視断面図である。

【図４】第１実施例の半導体磁気センサの製造方法を説
明するための図である。

【図５】図４に続く半導体磁気センサの製造方法を説明
するための図である。

【図６】図５に続く半導体磁気センサの製造方法を説明
するための図である。

【図７】第２実施例の半導体磁気センサの製造方法を説
明するための図である。

【図８】図７に続く半導体磁気センサの製造方法を説明
するための図である。

【図９】図８に続く半導体磁気センサの製造方法を説明
するための図である。

【図１０】図９に続く半導体磁気センサの製造方法を説
明するための図である。

【図１１】本発明による半導体磁気センサの第３実施例
を示す平面図である。

【図１２】従来の半導体磁気センサの一例を示す平面図
である。

【図１３】図１２のＡ−Ａ′線に沿う矢視断面図である
。

【符号の説明】

１　　ｐ型シリコン基板 ２　　ｎ型エピタキシャル層 ３　　ｐ型素子分離拡散領域 ４　　ｐ型エミッタ領域 ５　　ｐ型コレクタ領域 ６　　ｐ型コレクタ領域 ７　　ｎ＋ベース拡散領域 ８　　ｎ＋ベース拡散領域 ９ａ　　エミッタ電極 ９ｂ　　コレクタ電極 ９ｃ　　コレクタ電極 ９ｄ　　ベース電極 ９ｅ　　ベース電極 １０　　シリコン酸化膜 １１　　充填材 １２　　活性ベース領域（キャリア通路領域）１３　　
溝 １４　　ｎ＋埋め込み層 １５　　溝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一導電型半導体層上に所定間隔を隔て
   て相対向して形成された一対の同一導電型ベース領域と
   、該一対のベース領域間に形成された反対導電型のエミ
   ッタ領域と、該エミッタ領域を通り前記一対のベース領
   域を結ぶ仮想線の両側近傍に対称に形成された一対の反
   対導電型コレクタ領域と、該エミッタ領域から前記一導
   電型半導体層内に注入されたキャリアが前記コレクタ領
   域に向けて流れる通路であって、前記仮想線の近傍だけ
   を含むように形成されたキャリア通路領域とを有するこ
   とを特徴とする半導体磁気センサ。