JPH05304325A - 半導体薄膜磁気抵抗素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動車用ギヤセンサ等の高温用途において、
十分な信頼性を有する半導体薄膜磁気抵抗素子を提供す
る。 【構成】 絶縁性のガラス基板１上にＩｎＳｂからなる
半導体層２を設け、この半導体層２上にクロムからなる
短絡電極３と銅または金からなる端子電極４とを設けて
なる構成とすることにより、高温下においても半導体層
２と反応し難く低接触抵抗値の安定な短絡電極３が得ら
れて高温用途に適した半導体薄膜磁気抵抗素子が実現で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転、変位等の検出に
用いられる磁電変換素子に関するものであり、特に耐熱
性を必要とされる環境下において使用される半導体薄膜
磁気抵抗素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に回転の検出方式としては、光学
式、磁気方式等種々の方式があるが、これらの方式の中
で、汚れ、塵埃などの付着しやすい環境における用途に
は、これらの雰囲気の影響を受けにくい磁気方式が最も
有利である。また、この磁気方式においても、電磁ピッ
クアップ、ホール素子、磁気抵抗素子等の種々の方式が
あるが、近年自動車の電子化に伴って各種センサ素子が
装着される中で、回転数検出用センサ、特に鉄製歯車と
組み合せたギヤセンサとして、小型化が可能なホール素
子（ホールＩＣ）、強磁性薄膜磁気抵抗素子、半導体薄
膜磁気抵抗素子等を用いたギヤセンサが広く検討されて
いる。

【０００３】しかし、ホール素子、ホールＩＣおよび強
磁性薄膜磁気抵抗素子は感磁部における検出出力が小さ
く、ノイズ低減のために鉄製歯車と被検出体とのギャッ
プを小さくする必要があることから、ギヤセンサとして
は使いにくいという問題があった。これらに対し、半導
体薄膜磁気抵抗素子は、電子移動度の大きい半導体を使
用することにより検出出力を大きくすることができ、被
検出体とのギャップの許容度も大きく採れるため、半導
体中で最も電子移動度の大きいアンチモン化インジウム
（以下ＩｎＳｂと記す）を用いた半導体薄膜磁気抵抗素
子が最もギヤセンサに適しているものと考えられる。

【０００４】以下に従来のＩｎＳｂを用いた半導体薄膜
磁気抵抗素子について説明する。図４は従来のＩｎＳｂ
を用いた半導体薄膜磁気抵抗素子の断面構造を示すもの
である。図４において、１１は厚さ１mm程度のガラス等
からなる絶縁性基台である。１２は厚さ数μｍ〜数十μ
ｍ程度の薄板状のＩｎＳｂからなる半導体層で、エポキ
シ樹脂等の接着層１３により絶縁性基台１１上に固着さ
れている。この半導体層１２は特性の優れたものを得る
ために、ＩｎＳｂ単結晶を研磨して薄板化したものやマ
イカ基板上に真空蒸着によってＩｎＳｂ単結晶を形成し
た後マイカ基板との剥離性を利用して転写することによ
って得られる。

【０００５】１４は厚さ１μｍ程度の銅からなる短絡電
極、１５は同じく端子電極であり、半導体層１２上に真
空蒸着、スパッタリング等の薄膜プロセスや湿式メッキ
法により形成する。この状態から、フォトリソグラフィ
ー法により半導体層１２および短絡電極１４を磁気抵抗
素子の形状に加工する。湿式メッキ法による場合は、予
め必要部位にのみ短絡電極１４を形成可能なためこの工
程は不要である。１６は厚さ１μｍ程度の二酸化珪素等
からなる保護層であり、素子形状に加工後、端子電極１
５上を除き、半導体層１２や接着層１３、短絡電極１４
上にスパッタリング等の薄膜プロセスにより形成する。
以上の構成によりＩｎＳｂを用いた半導体薄膜磁気抵抗
素子の構造を得る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、半導体層１２をエポキシ等の接着層１３
により絶縁性基台１１上に固着する構造から、接着層１
３と半導体層１２との大きな熱膨張係数の差により高温
時に半導体層１２に亀裂が生じて素子が破壊するため、
前述した−５０〜＋１７０℃の温度範囲において実用に
耐え得る信頼性を有していなかった。また、短絡電極１
４がＩｎＳｂと比較的低温でも容易に合金反応する銅か
らなるため、１５０℃以上の高温下ではＩｎＳｂと銅と
の合金化が短時間で進行し、素子特性が著しく劣化する
ため上記と同様に〜＋１７０℃の温度範囲において実用
に耐え得る信頼性を有していないという問題点を有して
いた。

【０００７】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、自動車用ギヤセンサ等の高温用途において、高温で
破壊しない十分な信頼性を有する半導体薄膜磁気抵抗素
子およびその製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体薄膜磁気抵抗素子は、絶縁性基板と、
この絶縁性基板上に形成したＩｎＳｂからなる半導体層
と、この半導体層上に形成したクロムからなる短絡電極
と、絶縁性基板または半導体層に形成した端子電極とを
備えた構成とする。また、本発明の半導体薄膜磁気抵抗
素子の製造方法は、フォトリソグラフィー法によりこれ
ら半導体層および短絡電極を素子形状へ加工した後、２
００〜３００℃の温度範囲で加熱する製造方法としてい
る。

【０００９】

【作用】この構成によって、絶縁性基板上に直接ＩｎＳ
ｂからなる半導体層を設けているため、高温下において
も半導体層に亀裂が生じないようにすることができる。
また、短絡電極をＩｎＳｂと比較的反応しにくくかつＩ
ｎＳｂ中で浅いドナー準位となるクロムからなることと
することにより、２００℃付近までの安定性を有する低
接触抵抗値の短絡電極を得られるものである。また、フ
ォトリソグラフィー法により半導体層および短絡電極を
素子形状に加工した後の加熱により、クロムからなる短
絡電極の内部応力による半導体層の歪を除去し、素子完
成後の特性の安定化を行うことができるものである。

【００１０】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。

【００１１】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
におけるＩｎＳｂを用いた半導体薄膜磁気抵抗素子の断
面図である。図１において、１は厚さ０．５mm程度の絶
縁性のガラス基板である。２は厚さ３μｍ程度のＩｎＳ
ｂからなる半導体層であり、ＩｎおよびＳｂの２つの蒸
発源の温度と基板温度とを制御する三温度蒸着法により
ガラス基板１の上に直接設ける。この半導体層２上に真
空蒸着法により１００℃から３００℃の温度範囲で厚さ
５００ｎｍ程度のクロムからなる短絡電極３を設ける。
このとき、短絡電極３の形成温度が１００℃以下の温度
であれば半導体層２と短絡電極３との間の十分な密着強
度が得られず、また３００℃以上であれば半導体層２の
ＩｎＳｂからＳｂの脱離が生じて半導体層２の特性が劣
化するため、１００℃から３００℃の温度範囲で短絡電
極３を設けることが必要である。

【００１２】この後、フォトリソグラフィー法を用い
て、短絡電極３のクロムは水酸化ナトリウムと過マンガ
ン酸カリウムの水溶液により、また半導体層２のＩｎＳ
ｂは硝酸、乳酸、グリコール酸の混液によりそれぞれエ
ッチングすることにより、半導体層２および短絡電極３
を加工し磁気抵抗素子の形状を得る。このとき個々の短
絡電極３に挟まれた部位の半導体層２が磁気抵抗効果を
得る部位となる。さらに半導体層２の端部に厚さ１μｍ
程度の銅あるいは金を湿式メッキして端子電極４を形成
することにより半導体薄膜磁気抵抗素子を得る。

【００１３】以上のように構成された半導体薄膜磁気抵
抗素子においては、クロムからなる短絡電極３の内部応
力により半導体層２のＩｎＳｂには局部的に歪が発生し
ており、この歪により半導体層２のＩｎＳｂの抵抗率が
部分的に変化している。ところが目的とする１７０℃程
度の温度においては、この歪は徐々に緩和され、その結
果として実使用時における素子抵抗値の変動が生じるこ
とから、素子の安定化のためには予めこの歪を緩和する
必要がある。このためフォトリソグラフィー法により半
導体層２および短絡電極３を素子形状に加工した後、２
００〜３００℃の電気炉に保持して熱処理を行うことに
より歪の除去を行う。熱処理時間としては、２００℃で
４時間、３００℃では１時間程度で十分である。ここで
２００℃以下の熱処理温度では効果の得られる時間が長
くなり実用的ではなく、また加熱温度が高すぎるとＩｎ
ＳｂからのＳｂの脱離が起こるため３００℃以下にする
必要があり、これらを考慮し２００〜３００℃の熱処理
を行うことにより特性劣化を伴わずに素子の抵抗値の安
定化を図ることができるものである。

【００１４】このようにして得られた半導体薄膜磁気抵
抗素子を従来の例と同時に２００℃における高温放置試
験を行った際の素子抵抗値の変化を図３に示す。図３よ
り素子の寿命点を初期抵抗値に対して５％変化した時点
とした場合に、従来例が数時間程度であるのに対し、本
実施例の磁気抵抗素子は１０００時間以上の寿命がある
ことがわかる。

【００１５】なお、本実施例では熱処理を電気炉で保持
する方法で行ったが、端子電極４にたとえば０．８Ｗ／
mm²の直流電力を１時間通電してもよい。この場合は直
流電力を素子の破壊が起こらない程度に大きくすること
により、より熱処理時間の短縮化が図れる。また、本実
施例では端子電極４を銅または金メッキで形成したが、
短絡電極３の形成時と同様にクロムを蒸着して形成して
もよい。

【００１６】以上のように本実施例によれば、絶縁性の
ガラス基板１上にＩｎＳｂからなる半導体層２を設け、
この半導体層２上にクロムからなる短絡電極３を設けて
なる構成とし、フォトリソグラフィー法によりこれら半
導体層２および短絡電極３を素子形状へ加工後２００〜
３００℃の温度範囲内で熱処理をすることによって、十
分な密着強度を有し低接触抵抗値の安定な短絡電極３を
得ることができるとともに素子の抵抗値の安定化を図る
ことができ、素子の耐熱性を２００℃まで向上すること
ができる。

【００１７】（実施例２）図２は本発明の第２の実施例
におけるＩｎＳｂを用いた半導体薄膜磁気抵抗素子の断
面図である。図２において、５は厚さ方向にスルーホー
ルを設けた厚さ０．６mm程度のアルミナ基板であり、６
はアルミナ基板５の素子を設ける面上に印刷焼成にて形
成した厚さ５０μｍ程度のガラス層、７はアルミナ基板
５のスルーホールに銀とパラジウムの合金からなる導体
を印刷焼成にて形成した厚さ１０μｍ程度の導電体で端
子電極として使用するものである。８および９は第１の
実施例と同様のそれぞれ半導体層と短絡電極で、それら
の材料、形成法、加工法は第１の実施例と同様である。
１０は厚さ１μｍ程度の酸窒化珪素からなる保護層であ
り、素子形状へ加工後、ガラス層６、導電体７、半導体
層８および短絡電極９上に形成する。この保護層１０
は、シラン、亜酸化窒素、窒素を原料ガスとするプラズ
マ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）などの真空プロセス
により形成されるが、この形成時の温度を第１の実施例
の熱処理温度と同様な温度範囲および時間で行うことに
より、第１の実施例と同様に半導体層８の歪を緩和する
ことができ、素子の抵抗値の安定化を図ることができ
る。

【００１８】以上のように構成された半導体薄膜磁気抵
抗素子において、第１の実施例と同様に従来の例と同時
に２００℃における高温放置試験を行った際の素子抵抗
値の変化を第１の実施例とともに図３に示す。図３よ
り、本実施例の素子は第１の実施例と同様に１０００時
間以上の寿命があることがわかる。

【００１９】以上のように本実施例によれば、厚さ方向
にスルーホールを設けたアルミナ基板５と、このアルミ
ナ基板５の素子を設ける面上に形成したガラス層６と、
アルミナ基板５のスルーホールに形成した導電体７とか
らなる絶縁性基板上にＩｎＳｂからなる半導体層８を設
け、この半導体層８上にクロムからなる短絡電極９を設
け、これらの上に保護層を設けてなる構成とするととも
に、半導体層８および短絡電極９をフォトリソグラフィ
ー法により素子形状へ加工後、保護層１０を２００〜３
００℃の温度範囲内で形成することによって、十分な密
着強度を有し低接触抵抗値の安定な短絡電極９を得るこ
とができるとともに素子の抵抗値の安定化を図ることが
でき、素子の耐熱性を２００℃まで向上することができ
る。また、スルーホールの導電体７を設けたことによ
り、アルミナ基板５の裏面に強固にリード端子が取り付
けできるとともに、高温になって導電体７と半導体層８
とが仮に反応しても導電体７は半導体層８の裏面側にあ
るため特性への影響は小さい。

【００２０】なお、実施例１では保護層のない例を示し
たが、必要に応じてこれに実施例２と同様の保護層１０
を設けてもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明は、絶縁性基板上に
ＩｎＳｂからなる半導体層を設け、この半導体層上にク
ロムからなる短絡電極を設けてなる構成とすることによ
り、使用温度が−５０〜＋１７０℃である自動車用ギヤ
センサ等の高温用途に対して、２００℃においても十分
な耐熱性を有する優れた高信頼性の半導体薄膜磁気抵抗
素子を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における半導体薄膜磁気
抵抗素子の断面図

【図２】本発明の第２の実施例における半導体薄膜磁気
抵抗素子の断面図

【図３】本発明の第１の実施例、第２の実施例および従
来例の２００℃における高温放置試験における素子抵抗
値の変化を示す図

【図４】従来の半導体薄膜磁気抵抗素子の断面図

【符号の説明】

１ ガラス基板（絶縁性基板） ２，８ 半導体層 ３，９ 短絡電極 ４ 端子電極 ５ アルミナ基板 ６ ガラス層 ７ 導電体（端子電極） １０ 保護層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板と、この絶縁性基板上に形成し
   たアンチモン化インジウムからなる半導体層と、この半
   導体層上に形成したクロムからなる短絡電極と、前記絶
   縁性基板または前記半導体層に設けた端子電極とを備え
   た半導体薄膜磁気抵抗素子。
2. 【請求項２】絶縁性基板がガラス層を表面にかつスルー
   ホールを厚さ方向にそれぞれ設けたアルミナ基板からな
   り、端子電極が前記スルーホールの内周面およびその開
   口部近傍に形成した導電体からなる請求項１記載の半導
   体薄膜磁気抵抗素子。
3. 【請求項３】絶縁性基板上にアンチモン化インジウムか
   らなる半導体層を形成する工程と、この半導体層上にク
   ロムからなる短絡電極を形成する工程と、前記絶縁性基
   板または前記半導体層に端子電極を形成する工程と、前
   記半導体層および前記短絡電極をフォトリソグラフィー
   法により加工する工程と、この加工後２００〜３００℃
   の温度範囲で加熱する工程とを備えた半導体薄膜磁気抵
   抗素子の製造方法。
4. 【請求項４】加熱が端子電極から通電することにより行
   われる請求項３記載の半導体薄膜磁気抵抗素子の製造方
   法。
5. 【請求項５】２００〜３００℃の温度範囲で加熱する工
   程に代えて、絶縁性基板、半導体層および短絡電極それ
   ぞれの露出表面を２００〜３００℃の温度に保持した状
   態で保護層を形成する工程を設けた請求項３記載の半導
   体薄膜磁気抵抗素子の製造方法。