(57)【要約】【課題】励磁導体の発熱の影響を抑制するとともに縦型ホール素子が受ける較正磁界の強度を大きくし、縦型ホール素子の高精度な較正が可能な半導体装置を提供する。【解決手段】第１導電型の半導体基板１０と、半導体基板１０上に設けられた縦型ホール素子１００と、縦型ホール素子１００の直上に絶縁膜３０を介して設けられた励磁導体２００とを有する半導体装置であって、縦型ホール素子１００は、半導体基板１０上に設けられた第２導電型の半導体層１０１と、半導体層１０１の表面に一直線上に設けられた高濃度の第２導電型の不純物領域からなる複数の電極１１１〜１１５とを備え、励磁導体２００の幅ＷCと電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３≦ＷC／ＷH≦１．０である。【選択図】図１
2020009801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた縦型ホール素子と、
前記縦型ホール素子の直上に絶縁膜を介して設けられた励磁導体とを有する半導体装置であって、
前記縦型ホール素子は、
前記半導体基板上に設けられた第２導電型の半導体層と、
前記半導体層の表面に一直線上に設けられた高濃度の第２導電型の不純物領域からなる複数の電極とを備え、
前記励磁導体の幅ＷCと前記縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３≦ＷC／ＷH≦１．０であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記励磁導体が直線状をなし、前記励磁導体の長手方向の中心線と前記縦型ホール素子の前記半導体層の長手方向の中心線とが一致していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記励磁導体は、前記縦型ホール素子の基板深さ方向中心から前記励磁導体までの距離ｈと前記縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比ｈ／ＷHが０．４以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、水平方向の磁界を検知する縦型ホール素子を含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホール素子は、磁気センサとして非接触での位置検知や角度検知が可能であることから様々な用途に用いられている。中でも半導体基板表面に対して垂直な磁界成分を検出する横型ホール素子を用いた磁気センサが一般的に良く知られているが、基板の表面に対して平行な磁界成分を検出する縦型ホール素子を用いた磁気センサも各種提案されている。さらに、横型ホール素子と縦型ホール素子を組み合わせて、２次元、３次元的に磁界を検出する磁気センサも提案されている。
【０００３】
しかし、縦型ホール素子は、横型ホール素子に比べて、感度やオフセット電圧特性が製造ばらつきによる影響を受けやすいため、特性ばらつきが大きい。
【０００４】
かかる特性ばらつきを較正するため、特許文献１には、縦型ホール素子の近傍に配置した励磁導体に電流を流すことによって、所定の磁束密度を有する較正磁界をホール素子の位置に生じさせ、ホール素子の感度を推定する方法が開示されている。すなわち、較正磁界の磁束密度を変化させ、較正磁界が印加されている時のホール素子から出力されるホール電圧の変化を測定することにより、ホール素子の実際の感度を推定している。
【０００５】
また、特許文献１の図１では、励磁導体の中心と縦型ホール素子の中心との水平方向の距離を離す、すなわち、励磁導体の中心を縦型ホール素子の中心から水平方向にずらした構成としている。これににより、半導体装置の製造中におけるプロセス変動による励磁導体の幅等のばらつきによって、励磁導体が発生する磁界強度のばらつきが縦型ホール素子に影響することを抑制することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第９１１６１９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の図１に示された構造では、以下のような問題が生じる。
【０００８】
すなわち、励磁導体の中心と縦型ホール素子中心との水平方向の距離を離すことにより、縦型ホール素子と励磁導体との距離が大きくなることになる。励磁導体に流れる電流により発生する磁界強度は、励磁導体からの距離に反比例するため、縦型ホール素子と励磁導体との距離が大きくなると、縦型ホール素子に印加される較正磁界の強度が小さくなってしまう。縦型ホール素子に印加される較正磁界の強度が小さくなると、縦型ホール素子から出力されるホール電圧の変化が小さくなる。したがって、縦型ホール素子に印加される較正磁界の強度のばらつきを抑制できるものの、較正磁界の強度が小さくなる結果、縦型ホール素子の実際の感度を推定する精度が低下してしまうこととなる。
【０００９】
この対策として、縦型ホール素子に印加される較正磁界の強度を大きくするために、励磁導体に流す電流を増加させると、励磁導体の発熱量が増大する。特許文献１では、励磁導体の中心を縦型ホール素子の中心から水平方向にずらしていることにより、縦型ホール素子の周辺に配置された縦型ホール素子からの出力信号を処理する回路や縦型ホール素子へ信号を供給するための回路等の周辺回路と励磁導体とが近接することとなるため、励磁導体の発熱によって、周辺回路に温度分布が生じる。これにより、周辺回路の特性が変動するため、結局、縦型ホール素子の実際の特性を推定する精度の低下につながってしまう。
【００１０】
なお、励磁導体と周辺回路との距離を大きくとれば、周辺回路に温度分布を生じさせることを抑制することは可能であるが、半導体装置の微細化に逆行するため現実的ではない。
【００１１】
したがって、本発明は、励磁導体の発熱が周辺回路に影響することを抑制するとともに、縦型ホール素子が受ける較正磁界の強度を大きくし、縦型ホール素子の高精度な較正が可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた縦型ホール素子と、前記縦型ホール素子の直上に絶縁膜を介して設けられた励磁導体とを有する半導体装置であって、前記縦型ホール素子は、前記半導体基板上に設けられた第２導電型の半導体層と、前記半導体層の表面に一直線上に設けられた高濃度の第２導電型の不純物領域からなる複数の電極とを備え、前記励磁導体の幅ＷCと前記縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３≦ＷC／ＷH≦１．０であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、縦型ホール素子の直上に励磁導体を配置するとともに、励磁導体の幅ＷCと縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比ＷC／ＷHを１．０以下とすることにより、縦型ホール素子からの出力信号を処理する回路や縦型ホール素子へ信号を供給するための回路等の周辺回路と励磁導体とが近接しない配置とでき、また、ＷC／ＷHを０．３以上とすることにより、励磁導体の発熱量が増大することを抑制できるため、周辺回路に温度分布が生じることを防止することが可能となる。さらに、励磁導体を縦型ホール素子の直上に配置していることにより、縦型ホール素子が受ける較正磁界の強度を大きくすることができる。したがって、励磁導体の発熱量を抑制しつつ、縦型ホール素子に印加される較正磁界の強度大きくし、縦型ホール素子の較正を高精度に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態の縦型ホール素子を有する半導体装置の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＬ−Ｌ’線に沿った断面図である。
【図２】励磁導体の幅ＷCと縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比（ＷC／ＷH）と励磁導体が２ｍＴの磁束密度を有する磁界を発生したときの励磁導体の温度上昇との関係を、縦型ホール素子の基板深さ方向中心から励磁導体までの距離ｈと縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比（ｈ／ＷH）を変化させてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図３】励磁導体の幅ＷCと縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比（ＷC／ＷH）と励磁導体に流れる単位電流あたりの縦型ホール素子に印加される磁束密度（Ｂ／Ｉ）との関係を、縦型ホール素子の基板深さ方向中心から励磁導体２００までの距離ｈと縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比（ｈ／ＷH）を変化させてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態の縦型ホール素子を有する半導体装置を説明するための図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＬ−Ｌ’線に沿った断面図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置は、Ｐ型（第１導電型）の半導体基板１０と、Ｐ型の素子分離拡散層２０と、半導体基板１０上に設けられた縦型ホール素子１００と、縦型ホール素子１００上に設けられた絶縁膜３０と、絶縁膜３０上に設けられた励磁導体２００とを備えている。
【００１８】
縦型ホール素子１００は、半導体基板１０上に設けられた磁気感受部となるＮ型（第２導電型）の半導体層１０１と、半導体層１０１の表面に一直線上に設けられたＮ型の不純物領域からなる電極１１１〜１１５とを備えて構成されている。
【００１９】
素子分離拡散層２０は、縦型ホール素子１００を半導体基板１０上の他の領域（図示せず）から電気的に分離している。
【００２０】
素子分離拡散層２０によって縦型ホール素子１００と電気的に分離された半導体基板１０上の他の領域には、縦型ホール素子１００からの出力信号を処理する回路、縦型ホール素子１００へ信号を供給する回路、あるいは、縦型ホール素子１００の特性を較正磁界によって補償する回路等（以下、「周辺回路」という）を構成するトランジスタ等の素子が設けられている。
【００２１】
励磁導体２００は、直線状をなしており、励磁導体２００の長手方向の中心線と縦型ホール素子１００の半導体層（磁気感受部）１０１の長手方向の中心線とが一致するように、絶縁膜３０を介して縦型ホール素子１００の直上に設けられている。これにより、励磁導体２００と縦型ホール素子１００との距離が最も小さくなり、縦型ホール素子１００が受ける較正磁界の強度を大きくすることができるとともに、縦型ホール素子１００全体にわたって、均一な較正磁界を供給することができる。
【００２２】
そして、本実施形態においては、縦型ホール素子１００上の励磁導体２００の幅ＷCと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３≦ＷC／ＷH≦１．０の関係を満たしている。このような関係としている理由について、以下に説明する。
【００２３】
励磁導体２００から発生した縦型ホール素子１００に印加される較正磁界が小さくなると、縦型ホール素子１００から出力されるホール電圧の変化が小さくなるため、縦型ホール素子１００の実際の感度を推定する精度が低下する。そのため、較正磁界は２〜３ｍＴ以上印加することが望ましい。
【００２４】
そこで、図２に、励磁導体２００の幅ＷCと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHと励磁導体２００が２ｍＴの磁束密度を有する磁界を発生したときの励磁導体２００の温度上昇との関係を、縦型ホール素子１００（半導体層１０１）の基板深さ方向中心から励磁導体２００までの距離ｈと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ｈ／ＷHを変化させてシミュレーションした結果のグラフを示す。
【００２５】
図２のグラフから、励磁導体の幅ＷCと縦型ホール素子の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３以下となると、急激に励磁導体２００の温度上昇が大きくなることがわかる。なお、図２には、一例として、励磁導体２００が２ｍＴの磁束密度を有する磁界を発生したときのシミュレーション結果を示しているが、励磁導体２００が３ｍＴまたはそれ以上の磁束密度を有する磁界を発生した場合でも、グラフの形状は同様となり、ＷC／ＷHが０．３以下となると、急激に励磁導体２００の温度上昇が大きくなることが確認されている。
【００２６】
したがって、励磁導体の幅ＷCと縦型ホール素子の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHを０．３以上とすることにより、励磁導体２００に電流を印加して２〜３ｍＴ程度以上の較正磁界を縦型ホール素子１００に印加したときに、周辺回路に温度分布が生じることを抑制することが可能となる。
【００２７】
一方、励磁導体２００の幅ＷCが縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHよりも大きくなると、周辺回路と励磁導体２００とが近接することとなる。すなわち、周辺回路が励磁導体２００からの発熱の影響を受けやすくなり、縦型ホール素子１００の実際の特性を推定する精度を低下させてしまう。したがって、励磁導体２００が周辺回路に近接しないようにするため、励磁導体２００の幅ＷCを縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅よりも大きくしない、すなわち、励磁導体の幅ＷCと縦型ホール素子の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHを１．０以下とするのが望ましい。
【００２８】
図３は、励磁導体２００の幅ＷCと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHと励磁導体２００に流れる単位電流あたりの縦型ホール素子１００に印加される磁束密度（Ｂ／Ｉ）との関係を、縦型ホール素子１００の基板深さ方向中心から励磁導体２００までの距離ｈと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ｈ／ＷHを変化させてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【００２９】
図３のグラフから、縦型ホール素子１００の基板深さ方向中心から励磁導体２００までの距離ｈと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ｈ／ＷHを大きくするほど、励磁導体２００に流れる単位電流あたりの縦型ホール素子１００に印加される磁束密度（Ｂ／Ｉ）が小さくなることがわかる。よって、ｈ／ＷHは、小さいほど好ましい。
【００３０】
また、図２からわかるように、縦型ホール素子１００の基板深さ方向中心から励磁導体までの距離ｈと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ｈ／ＷHを大きくするほど、励磁導体２００の温度上昇は大きくなる。
【００３１】
すなわち、縦型ホール素子１００の基板深さ方向中心から励磁導体２００までの距離ｈが大きくなると、必要な較正磁界を縦型ホール素子１００に印加するためには、励磁導体２００に電流を多く流さなければならず、したがって、励磁導体２００の温度上昇が大きくなり、周辺回路に影響を与えてしまう。
【００３２】
そのため、励磁導体２００の幅ＷCと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３≦ＷC／ＷH≦１．０を満たす範囲であっても、周辺回路への影響を抑制するために、励磁導体２００の温度上昇は、５℃以下とするのが望ましい。
【００３３】
したがって、図３から、縦型ホール素子１００の基板深さ方向中心から励磁導体２００までの距離ｈと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ｈ／ＷHは、励磁導体の幅ＷCと縦型ホール素子の電極１１１〜１１５の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３以上の範囲において励磁導体２００の温度上昇が５℃以下となる０．４以下とすることが望ましい。
【００３４】
なお、励磁導体２００は、縦型ホール素子１００を形成し、その上に絶縁膜３０を形成した後、周辺回路を構成するトランジスタ等の複数の素子同士を電気的に結線させる配線を形成する工程において、当該配線と同時に形成することができる。したがって、本実施形態によれば、製造プロセスを増加させることなく、励磁導体２００を形成することができる。
【００３５】
また、励磁導体２００の幅ＷCと縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５の電極の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３≦ＷC／ＷH≦１．０であるため、例えば、ＷC／ＷHを０．５と設計した場合において、製造プロセスの変動により励磁導体２００の幅にばらつきが生じてＷC／ＷHが０．５＋αまたは０．５−αとなったとしても、図３からわかるように、その変化に対する磁束密度の変化は小さい。すなわち、製造プロセスの変動により励磁導体２００の幅等がばらついたとしても、励磁導体２００から発生する磁界強度のばらつきを小さく抑えることができる。
【００３６】
ここで、励磁導体２００は、発熱量を低下させるために抵抗率が低いほど好ましく、例えば、Ａｌ等により形成されることが望ましい。さらに、励磁導体２００の厚さは、発熱量を低下させるためには厚いほど好ましく、例えば、０．５μｍ程度以上であることが望ましい。
【００３７】
次に、較正磁界により、本実施形態の半導体装置における縦型ホール素子１００の特性補償を行う方法について説明する。
【００３８】
励磁導体２００に電流を流すことによって、図１（ｂ）に示すように、励磁導体２００の周囲に点線で示す所定の磁束密度を有する較正磁界Ｂｃを発生させ、これにより、縦型ホール素子１００には、左右方向に較正磁界Ｂｃが印加される。このとき、所定の磁束密度は、数ｍＴ程度とすることが望ましい。
【００３９】
この較正磁界Ｂｃが印加された状態で、縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５のうち駆動電流供給電極となる電極に駆動電流を供給する。駆動電流が較正磁界Ｂｃによってローレンツ力を受けることにより、縦型ホール素子１００の電極１１１〜１１５のうちホール電圧出力電極となる電極間に電圧差が生じ、この電圧差がホール電圧として得られる。具体的には、例えば、電極１１３から電極１１１及び１１５へ電流が流れるように電極１１１、１１３及び１１５に駆動電流を供給することにより、電極１１２−電極１１４間にホール電圧が出力される。
【００４０】
このようにして得られたホール電圧や、スピニングカレント法により駆動電流の供給方向を変えて得られた複数のホール電圧を演算した後に残存するオフセット電圧等に基づいて、駆動電流や縦型ホール素子１００の出力に接続されたアンプのゲイン等を調整することにより、縦型ホール素子１００の特性補償を行う。このようにして、高精度に特性ばらつきを抑制した縦型ホール素子１００を有する半導体装置を実現できる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００４２】
例えば、上記実施形態においては、励磁導体２００は単一層で示されているが、励磁導体２００の全体の厚みを増やすために多層配線を用いて、励磁導体２００の厚みを全体として大きくしても良い。
【００４３】
また、励磁導体２００として、ＡＬ等を用いる例を示したが、ポリシリコン等の導電体を用いることもできる。
【００４４】
また、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型として説明したが、導電型を入れ替えて、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型としても構わない。
【００４５】
また、上記実施形態では、縦型ホール素子１００が電極を５つ有する例を示したが、縦型ホール素子１００は、駆動電流供給用に２つと、ホール電圧出力用に１つの合計３つ以上の電極を有していればよい。
【符号の説明】
【００４６】
１０  半導体基板
２０  素子分離拡散層
３０  絶縁膜
１００  縦型ホール素子
１０１  半導体層（磁気感受部）
１１１〜１１５  電極
２００  励磁導体
Ｂｃ  較正磁界
ＷC  励磁導体の幅
ＷH  電極の幅
ｈ  縦型ホール素子の基板深さ方向中心から励磁導体までの距離
【図１】
2020009801.tif 000003
【図２】
2020009801.tif 000004
【図３】
2020009801.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月17日(2019.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた縦型ホール素子と、
前記縦型ホール素子の直上に絶縁膜を介して設けられた励磁導体とを有する半導体装置であって、
前記縦型ホール素子は、
前記半導体基板上に設けられた第２導電型の半導体層と、
前記半導体層の表面に一直線上に設けられ、前記第２導電型の半導体層の不純物濃度よりも高濃度の第２導電型の不純物領域からなる複数の電極とを備え、
前記励磁導体の幅ＷCと前記縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比ＷC／ＷHが０．３≦ＷC／ＷH≦１．０であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記励磁導体が直線状をなし、前記励磁導体の長手方向の中心線と前記縦型ホール素子の前記半導体層の長手方向の中心線とが一致していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記励磁導体は、前記縦型ホール素子の基板深さ方向中心から前記励磁導体までの距離ｈと前記縦型ホール素子の電極の幅ＷHとの比ｈ／ＷHが０より大きく、かつ０．４以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。