JPS6119182A - 薄膜ホール効果変換器の製造方法 - 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】 本発明は、薄膜ホール効果変換器の製造方法に関し、評
言すれば、基板上に薄膜形状に真空蒸着されかつ半導体
の新たな溶融による蒸着に続いて元の場所で再結晶化さ
れる半導体からなる型の薄膜ホール効果変換器の製造方
法に関するものである。

ホール効果は公知の物理的原理でありかつ磁界を測定す
るのに広く使用されて″おシ、その本質を第１図により
明らかにする。半導体１ｉｌｔ誘導コイルＢ内に置かれ
かつこの半導体１を電流Ｉが横切る（工とＢは垂直）０ ホール電圧は、半導体１が垂直磁気誘導ＥＩＣさらされ
るとき、半導体１内に循環する電流工に対して平行な２
つの辺２，３間に現われる電圧ＶＨである。この電圧は
半導体１内で動く電子の磁気誘導ＢＶｃよる偏差に基因
する。

種々の量を関連づける法則は次式のごとく表わされる。

すなわち、 ｎ＠１ｌｌｌｉ ここで、ｎは立方センナメートル当りの誘導電子の数、
ｔは材料の厚さおよびｅは電子チャージである。したが
って、式（１）は、１ｙとＶＨｘが公知であるならば、
定比例内での誘導Ｂ２の決定を可能にする。

良好な感度を有するために、半導体材料は最小キャリヤ
密度ｎおよび厚さｔで求められる。

（１）式に基づいて、ＶＨを増大するためには極性を付
与している電流ｌを増大すれば十分であることが想像で
きる。しかしながら、あいにく、■の増大には、結果と
して生じる温度上昇により実際に／ｌ限界がある。＃記
限界を拡大するためには良好な導電率を持つ半導体を有
することが必要である。

この導電率は次式、 σ＝ｅ１１ｎ・Ｉｎ　　　　　　　　　・・ψ（２）こ
こで、Ｉｎは負のチャージ、で表わされるので、良好な
導電率を有するためには、キャリヤの最大移動度μ。を
持つ半導体を使用する必要があることが明らかとなる。

この基準を最も満足させる半導体はμ。＝　７８０００
ｃｍｒｌ／ＶＢｋ有するＩｎＢｂおよび３３０００　ｃ
Ｊ／　Ｖ　ａを有するＩｎＡｓである。比較のために記
載すれば、　ＧａＡａはμ。＝８５００．ＩｎＰはμ。

＝４６００．Ｇｅ１ｊμ。＝　３９００そして８１はμ
。＝　１９００である。

それゆえ、好ましくは、より大きな移動度は別として、
５２５℃の最低溶融点を有するＩｎＳｂが使用される。

変換器の製造に関する新規技術の開発を通して最近重要
となってきている他の基準は多数の小さな変換器の大量
かつしたがって経済性を許容するようなその適性である
。

したがって、要約すると、このような技術に関して要求
される主たる特性は、 （１）高移動度のキャリヤμ　を有する材料を使用する
こと、 （２）最小の半導体の厚さｔ′ｔ−許容すること、（３
）極めて小さな変換器（数ミクロン）の形成を許容する
こと、 （４）極めて多数の変換器の同時生産を導くことに基礎
を直いている。

ホール効果検知器を製造するための旧来のかつ現在量も
広く知られている技術はＸｎＢｂまたはＩｎＡｓの単結
晶のインゴットを使用し、これらのインゴットを薄片に
切断し、これらの薄片を基板に結合し、これらの薄片を
研磨してより薄くかつ次いで所望の形状の変換器を得る
ために材料をエツチングしてなる。

この方法によれば、条件１はほぼ完全な単結晶を使用す
ることができるために極めて良好に満足させられる。条
件４は部分的に満足させられる。

しかしながら、多大な予防措置が取られるときのみさら
に高い値を示す約１０μｍの厚さを達成することかでき
るため、条件２および３を満足させることは極めて困難
である。感度損失とは別に、このかなりの厚さはエツチ
ング形状の精密さかつしたがって得られることができる
変換器の寸法（数十ミクロン）を制限し、ところが、多
くの用途は約１ミクロンの変換器を要求している。

この困難に直面して、多くの研究所が基板上に直接半導
体を蒸着するための薄膜技術を、使用することを検討し
た。この場合に、厚膜工り何分の１ミクロンの厚さを有
する膜の方が蒸着し易いため、条件２，３および４を満
足させることは容易である０ しかしながら、この場合に、条件１を満足させることは
極めて困難である。したがって、真空蒸着によって得ら
れた材料は多結晶である。すなわち電子の移動度を著し
く制限する多数の極めて小さな結晶によって形成され、
移動度は一般にＩｎＳｂの場合において１０００ｃＪ／
Ｖｓ以下である。例外的な情況下では、極めて制御し難
い蒸着条件を使用して１００００　ｃ４／　’／　ｓを
達成することができるが、再現性が不十分である。

この事態を改善するために、多くの研究所は、同化中に
より大きな結晶の大きさを得るように、蒸着後金属を再
溶融しながら基板上に半導体を直接結晶化することを考
えた。この分野において発表された最も興味ある結果は
多分、［薄い固形膜（シン・ソリッド・フィルム）　Ｊ
、１９７２年ｊｌＥ１２号、第２９１頁のニー・アール
・クローソンの結果である。

この著者は「ホット・ワイヤ法」と呼ぶことができる再
結晶化方法を実施した。第２図に略示されるこの方法は
、基板４上に蒸着された薄膜１の近傍に緊張した抵抗線
５を置き、該抵抗線５に電流を通すことによシ薄膜１を
狭い幅６（〜１　ｙｓｍ　）にわたって溶融しそして抵
抗線５を動かすことにより溶融区域６を基板４の前面に
移動してなる。

したがって、溶融区域６は多結晶部分７を半導体１の再
結晶される部分８から分離する。

この発表に続いて、この方法は事実上如何なる変更もな
しに幾つかの研究所により取り上げられた。試みられた
応用の良好な例は、日本の応用物理ジャーナル、１９７
８年２月の第１７巻第２号の第４０７〜４１２頁、テラ
・オオイ等の発表およヒＴＥｍＥ）ランスφオン・マグ
ネティクス、１９７９年１１月の第ＭＡＧ　１５巻第６
号のノプオ・コテラ等の発表に現われている。

非常に関心があるが、この方法は何故研究所段階を越え
なかったかを説明する幾つかの欠点を許容する。

実際に遭遇した主たる欠点は再結晶後膜の厚さに極めて
重大な変化があるという事実による。これらの不規則性
は上述した２つの発表から容易に明らかである一定位置
におけるホールにも同様に拡大することができる。

この欠点は、良好に制御された特性およびジオメトリを
有する装置の製造を可能にしないという事実とは別に、
精密なマイク四すソグラフィ作業、かつしたがって小さ
な変換器の製造を阻止するため、実際の応用の場合１ｃ
おいてとくに有害である。

したがって、これらの著者達は薄膜技術におけるすべて
の関心を事実上除去する再結晶後の困難な研磨工程を使
用しなければならなかった。

加熱ワイヤ法の他の欠点はそれが基板内に非常に重大な
熱応力に至るかも知れないということである。幾つかの
場合（例えばバブルストア用ガーネット上の検知器）に
おいて、これは基板を破壊しかつ如何なる使用をも阻止
するに十分である。

この方法の他のそれほど重大ではないが、実際の欠点は
ワイヤと基板との間の熱伝導度が良好に制御されねばな
らないということであり、このことはヘリウムの存在下
で作業する必要がありかつしたがって製造方法をよシ困
難にする。

本発明は、とくに簡単でかつ有効な方法において上述し
た従来技術のすべての問題の解決を可能にする薄膜ホー
ル効果変換器の製造方法、さらに蒸着後の再結晶方法に
関する。

したがって、本発明はとくに、基板上に薄膜形状に真空
蒸着されかつ半導体の新たな溶融による蒸着に続いて元
の場所で再結晶される半導体素子からなシ；基板上への
薄い半導体膜の真空蒸着に続いて、変換器の能動素子が
、とくに２０μｍ以下の幅を有する狭帯片の形で能動素
子を生ずるように、化学的エツチングまたはイオンボン
バードメントのごとき公知の手段によって半導体膜から
切断され；前に得られた構体が次いで絶縁ＳｉＯ２層で
被覆され；該層が１０００Åの厚さを有しかつ良好な熱
抵抗を有するＮｉＣｒまたはＷのごとき材料からなる導
電性金属層で被覆され；該金属層が半導体狭帯片上の局
部熱抵抗体を形成する工うにエツチングされ；熱抵抗体
に電流を通してジュール効果により薄い半導体片を加熱
しかつ次いで溶融および再結晶させ；連続的な化学的エ
ツチング作業により、熱抵抗体の金属層かつ次いでＳｉ
Ｏ２層が半導体の非結晶化領域から除去され；そして導
電層が変換器を極性を付与している電流で給電しかつホ
ール電圧をサンプリングするための接点用ＳｉＯ２ホ一
ル内圧蒸着されかつエツチングされる工程からなる型の
薄膜ホール効果変換器の製造方法に関する。

従来方法におけると同様に、基板上への半導体層の真空
蒸着は真空蒸発によって実施されることができる。それ
にも拘らず、好都合には均質な材料を得るようにカソー
ドスパッタリングを使用することができそしてそれは次
の精密なマイクロリングラフィ作業に適する。

本方法の重要な特徴の１つは化学的エツチングまたはイ
オンボンバードメントによって製造される変換器の能動
部分のために選ばれた形状が代表的には２０μｍ以下の
幅を有する細長い狭帯片の並列または直列配置からなる
ことである。基本的な２つの利点は狭い素子により形成
された能動領域を備えた変換器を有することから生じる
。まず比較的低い値を有する局部加熱抵抗体中に熱電流
を有することができる。狭い半導体帯片の再結晶作業中
、かかる短かい幅にわたって、液体半導体がその場合に
固化中に設定される波形形成の可能性を持たないため、
厚さの均一性の不足の閉止を可能にする。

本発明による方法の他の重要な利点は再結晶されるべき
領域を被覆する導電性金属層が良好に画成されかつ極め
て精密な方法でのみ再結晶領域の加熱を可能にすること
である。

最後に、本発明による方法の種々の製造段階は基板上に
蒸着された同一半導体層からの多数の微細なホール効果
変換器の同時製造を容易に許容する。これは従来使用さ
れた可動加熱線方法に比して、本方法の決して無視し得
ない利点を構成する。

前記した製造方法の改良された変形例によれば熱抵抗体
のエツチングは変換器に使用される半導体狭帯片の能動
部分の長手方向軸線に関連して僅かにずらした方法にお
いて生じる。言い換えれば手順は、その再結晶を得るよ
うに溶融された領域の同化中、抵抗体に対して対称的で
ありかつ冷却中圧いに対称に近づく２つの同化面が将来
のホール効果変換器の能動帯片の中心に対して数マイク
ロメータだけずらされる線に沿って互いに合流する。し
たがって、能動帯片の横縁の一方に向って半導体内に含
まれることができる不純物の幾らかの溶融作用によるエ
ントレインメントがあり、これは比率１７ｎ　ｅの顕著
な改善を許容することにより前記不純物の有害な作用を
除去し、ここでｎは半導体のｄ当りの導体電子の数およ
びｅは各電子の基本チャージである。留意されるべきこ
とは、各帯片の全面にわたって良好な純度を有する必要
がなくかつ良好な感度は精製がこの方法で得られる帯片
長さが各帯片の幅のおよそ３倍である場合に得られると
いうことである。

以下に、本発明のホール効果変換器の製造方法のそれら
に限定されない幾つかの実施例を図面に基づき説明する
。

第３図は、インジウム−アンチモンＩｎＳｂ半導体層１
の例えばガラスｔたはセラミック材料からなる基板４の
蒸着からなる本発明による製造方法の第１段階を示す。

この蒸着は真空蒸発またはカン−トスバッタリングのご
とき公知の方法で行なわれることができ、これは極めて
均質な材料を付与しかつしたがって次に起る精密なマイ
クロリングラフィ作業を容易にする。

第４図は、好ましくは２０μｍ以下の幅を有する狭帯片
の形の能動素子を得るために、半導体層１の符号９のご
とき一定数の帯片への切断による範囲である次段階を示
す。この切断はまた、所望の点において非常に高い精度
での半導体材料の除去を可能にするマスクによる化学的
エツチングまたはイオンボンバードメントのごとき公知
の手段によって得られる。

本発明によれば、ホール電圧の発生に使用される能動部
分が、２つの可能な実施例を付与する第５図および第６
図に示されるような、一定数の狭帯片または並列または
直列の素子によって構成されるような方法で変換器を設
計するのが望ましい。

第５図において、変換器は再結晶化を受けない４つの接
触領域１０，１１，１２．１３および高移動度のチャー
ジを有するために再結晶化を受ける直角の２つの能動帯
片１４，１５を有している。

劃１０および１３は導電性帯片１４内での極性を付与し
ている電流工の循環のために使用されかつ劃１１および
１２はホール電圧ＶＨのサンプリングに使用される。

第６図に示した本発明による変換器のより複雑な変形例
において、極性を付与している電流工が横切る能動領域
は並列に配置される一連の狭帯片１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ等に切断されそして第５図の電極１０，１１，１２お
よび１３が得られる。

複数の並列帯片１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ等を有
することにより、変換器へのより高い極性を付与してい
る電流の通過かつしたがって端子に集められるホール電
圧ＶＨの増加を可能にする。

次の段階（第７図）は第４図において得られた構造への
絶縁シリカＳｉＯ２層の蒸着からなる。この層１６は例
えば１μｍの厚さを有する。

本発明による方法の次の段階はシリカ層１６を約１００
０Åの厚さを有する導電性抵抗金属層１７で被覆するこ
とからなり、該金属層１７は通常ニッケル−クロムＮｉ
Ｃｒ合合またはタングステンＷのいずれかによって構成
される。

この金属層の蒸着に続いて、第８図に見ることができる
一定数の加熱抵抗体１７ａ、１７ｂ。

１７ｃ、１７ｄ’ｉ形成するようにエツチングされ、各
加熱抵抗体に再結晶されるべき半導体材料帯片９の正面
に置かれる。これらの種々の加熱抵抗はとくに半導体帯
片９をエツチングするのに使用されるマスクと同一にす
ることができるマスクによって切断される。

一旦第８図の構造が得られると、インジウム−アンチモ
ンＩｎＢｂは加熱抵抗体１７に電流を通すことによって
溶融され、それにより電流注入はピンによって行なわれ
ることができる。

この段階において狭帯片の形の変換器の能動部分を有す
る利点を受けることができる。したがって、この構造は
比較的低い加熱電流の使用を可能にし、それによりかか
る短かい幅にわたって、その場合に固化中に設定される
かも知れない波形を形成するような液相の可能性がない
ため、インジウム−アンチモン層の厚さの均一性の不足
を回避する。

本発明による本方法の次の段階において、加熱抵抗体１
７は除去され、続いて非再結晶区域におけるＳｉＯ２層
が除去される。加熱抵抗体１７は公知の市販「クロムエ
ッチ」液液中において６０℃で２５％Ｈ２ＳＯ４を含有
する溶液によって除去される。シリカＳｉＯ２は、例え
ばフッ化水素酸を使用するとき、化学的にエツチングさ
れる。

上記段階に、変換器の電気的作動に必要な接点を得るた
めにシリカホール内の導電性層（例えばクロムおよび金
からなる合金ＣｒＡｕまたは銅ＣＵ）をエツチングする
ことからなる最終作業が追随する。この作業の終りにお
いて、変換器は第９ａ図（平面図）および第９ｂ図（断
面図）に見ることができるように得られる。図にはシリ
カ５１０２で被覆された再結晶されたインジウム−アン
チモン導電性帯片１４，１５および半導体が再結晶され
ない領域に置かれた４つの接点電極１０．１ｊ。

１２．１３が示される。銅またはクロム−金合金導電性
層は符号１８で示される。ＩｎＳｂ半導体層は局部加熱
抵抗体１７によって先行の溶融作業中再結晶された部分
９ａかつまた非再結晶部分９ｂを有する。導電層１８は
変換器を外部に接続する１以上の接続１９を許容する０ 本発明による製造方法において、半導体中の負チャージ
キャリヤの移動度μ。を増大するために粒子の大きさの
増大に通じる再結晶を実施することを単に要する。これ
は十分許容し得る半導体としてＩｎＳｂ　′ｆｔ使用す
る場合において、１００ｃｄ／クーロンに近い比率１　
／　ｎ　ｅを得ることを可能にする。

しかしながら、この性能をさらに改善したいならば、パ
ラメータｎの値を増大するその中に含まれた不純物の数
を減じることにより半導体を精製することによって、こ
れは第１０図に説明された方法の変形を使用することに
よって引き起されることができる。この変形例において
、導電性半導体帯片９の能動部分ａ、ｂの軸線に対して
数マイクロメータだけの加熱抵抗体１７の僅かな変位が
あり、その結果溶融区域９の同化の間中固化面Ｃ１ｄの
進行は溶融している領域にまで移動された不純物が凝縮
される点ｄにおけるその合流を引き起す。点ｄはホール
効果に有効に使用される能動帯片ａ、ｂの中心に対して
ずれている。ｄのまわりに集められた不純物は、これら
が対応する半導体帯片の能動中心の辺縁部に置かれるた
め、変換器の作動に影響を及ぼさない。この現象の良好
な理解を供するために、これは同一参照符号で前示した
図面の要素を示す第１０図において非常に誇張した形で
示される。これらの限界す、ｃは抵抗体１７上に心出し
された半導体の溶融領域をがつａ。

ｂは変換器においてその後に使用される半導体帯片の能
動部分を示す。

図面の下方部には、抵抗体１７の軸線からの距離の関数
として、溶融領域９における温度を示す冷却曲線１９ｙ
２０．２１が示される。曲線１９は溶融時間におりて得
られた最大温度を示し、そして曲線２１は前記最大温度
が溶融温度である場合に、すなわち固化面Ｃおよびｂが
合流するときに対応する。それらの間で、曲線２０は溶
融領域の中心におはる中間温度の場合を示しそして矢印
Ｆお工びＦ′はこの冷却温度に関してかつこの時点での
同化面の位置を示す。

本発明による方法は機械的作動を必要とせずかつ従来の
マイクロエレクトロニクス装置とともに屋外で実行し得
るという重要な利点を有する。本方法はこれが有用であ
るならば負チャージの高移動度の結果として良好な効率
を有しかつどのような任意かつ同様に脆い基板上でも大
量生産の利点とともに、最小寸法および厚さを有するホ
ール効果変換器の製造を許容する。さらに、再結晶段階
中の全エネルギ供給は極めて低いものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はホール効−果の原理を説明する概略図、第２図
は従来の再結晶方法を示す断面図、第５図および第４図
は本発明によるホール効果変換の製造方法の最初の２段
階を示す断面図、第５図および第６図は本発明方法によ
って製造された変換器の切断形状を示す概略図、第７図
および第８図は本発明方法の最終段階を示す断面図、 第９ａ図は同様な最終段階を示す平面図、第９ｂ図は第
９ａ図の線Ａ−Ａに沿う断面図、第１０図は、下方に加
熱抵抗体の軸線のまわりの温度分布を併せて示す、半導
体の再結晶部分の溶融領域による精製があるホール効果
変換器の製造方法の変形例を示す断面図である。 図中、符号１はインジウム−アンチモン半導体層、４は
基板、９は帯片、１０〜１３は電極、１４．１５は能動
帯片、１６はシリカ層、１７は金属層（加熱抵抗体）で
ある。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に薄膜形状に真空蒸着されかつ半導体の新
   たな溶融による蒸着に続いて元の場所で再結晶される半
   導体素子からなる型の薄膜ホール効果変換器の製造方法
   において、前記基板上への薄い半導体膜の真空蒸着に続
   いて、変換器の能動素子が、とくに２０μｍ以下の幅を
   有する狭帯片の形で前記能動素子を生ずるように、化学
   的エッチングまたはイオンボンバードメントのごとき公
   知の手段によつて前記半導体膜から切断され、前に得ら
   れた構体が次いで絶縁ＳｉＯ＿２層で被覆され、前記層
   が約１０００Åの厚さを有しかつ良好な熱抵抗を有する
   ＮｉＣｒまたはＷのごとき材料からなる導電性金属層で
   被覆され、前記金属層が半導体狭帯片の上方に局部熱抵
   抗体を形成するようにエッチングされ、前記熱抵抗体に
   電流を通してジュール効果により前記薄い半導体片を加
   熱しかつ次いで溶融および再結晶させ、連続的な化学的
   エッチング作業により、熱抵抗体の金属層かつ次いでＳ
   ｉＯ＿２層が半導体の非結晶化領域から除去され、導電
   層が変換器を極性を付与している電流で給電しかつホー
   ル電圧をサンプリングするための接点用ＳｉＯ＿２ホー
   ル内に蒸着されかつエッチングされる工程からなること
   を特徴とする薄膜ホール効果変換器の製造方法。
2. （２）前記熱抵抗体は、前記変換器の前記能動部分の外
   側に不純物のエントレインメントを引き起すように、前
   記変換器に使用された前記半導体狭帯片の前記能動部分
   の長手方向軸線に対して僅かにずらした方法において、
   代表的には数μｍだけずらせて製造され、前記領域は前
   記溶融した領域の固化面の進行中溶融することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の薄膜ホール効果変換
   器の製造方法。
3. （３）使用される前記半導体はインヂウム−アンチモン
   でありそして抵抗性金属層はタングステンおよびニッケ
   ル−クロム合金から選ばれることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項および第２項のいずれかに記載の薄膜ホー
   ル効果変換器の製造方法。