(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、該軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成し、かつ、前記軟磁性膜コアを２個並設し、前記軟磁性膜コアに励磁コイルｎターン（ｎは正の整数）と磁束変化検出用コイルｍターン（ｍは正の整数）を交互に繰り返し巻いた構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる誘導波形を打ち消すようにしたことを特徴とする磁気検出素子。
【請求項２】
半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、該軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成し、かつ、前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを２つの平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構造を有する磁気検出素子。
【請求項３】
半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、
（ａ）前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、該軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記軟磁性膜コアを２個並設し、前記軟磁性膜コアに励磁コイルｎターン（ｎは正の整数）と磁束変化検出用コイルｍターン（ｍは正の整数）を交互に繰り返し巻いた構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる誘導波形を打ち消すようにした磁気検出素子と、
（ｂ）前記励磁コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路と、
（ｃ）前記磁束変化検出用コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される磁気検出信号処理用集積回路とを具備する磁気検出モジュール。
【請求項４】
半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、
（ａ）前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、該軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを２つの平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構造を有する磁気検出素子と、
（ｂ）前記励磁コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路と、
（ｃ）前記磁束変化検出用コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される磁気検出信号処理用集積回路とを具備する磁気検出モジュール。
【請求項５】
請求項３又は４記載の磁気検出モジュールにおいて、前記励磁コイル駆動用集積回路は、パルス発振器と分周回路と駆動回路とを具備する磁気検出モジュール。
【請求項６】
請求項３又は４記載の磁気検出モジュールにおいて、前記磁気検出信号処理用集積回路は、制御信号発生回路と高周波増幅器とクロス結合スイッチと低域通過フィルタとを具備する磁気検出モジュール。
【請求項７】
半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、
（ａ）半導体基板上に形成される半導体磁気検出素子と、
（ｂ）該半導体磁気検出素子を挟むように配置される一対の軟磁性コアと、
（ｃ）該軟磁性コアに巻き回される金属膜により形成される励磁コイルとを具備する磁気検出モジュール。
【請求項８】
請求項７記載の磁気検出モジュールにおいて、前記半導体磁気検出素子はホール素子である磁気検出モジュール。
【請求項９】
請求項７記載の磁気検出モジュールにおいて、前記半導体磁気検出素子は分割ドレイン型磁気トランジスタである磁気検出モジュール。
【請求項１０】
半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、
（ａ）半導体基板の中央部に形成される分割ドレイン型磁気トランジスタと、
（ｂ）該磁気トランジスタの両側に形成される溝と、
（ｃ）該溝の底部に形成され、前記磁気トランジスタに接続される配線層と、
（ｄ）前記溝の下部に形成されるコイルの下層配線と、
（ｅ）該コイルの下層配線の上方に形成される軟磁性コアと、
（ｆ）該軟磁性コアの上方に配置され、前記コイルの下層配線と接続されるコイルの上層配線とを具備する磁気検出モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体基板に集積される軟磁性コアを用いた磁気検出素子及び磁気検出モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軟磁性体とコイルを用いた磁気センサは、古くから非常に感度の高い磁気センサとして用いられている。このような磁気センサは、比較的大きな棒状のコアか、軟磁性リボン（薄帯）をリング状に巻いたコアに、コイルを手作業により巻くことにより作製される。また、測定磁界に比例した電圧を得るためには、電子回路が必要となる。
【０００３】
このような磁気センサの磁気検出素子を薄膜軟磁性コアと平面型の薄膜コイルにより実現する方法も考案されている。
【０００４】
一方、半導体を用いた磁気センサは、小型で量産も容易であるため、広く用いられている。また、半導体磁気センサと、同じ基板上に空心のコイルを形成し、磁束による負帰還を行う方法も提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の大きな棒状コア、または軟磁性リボンによるリング形状コアに、手巻きによるコイルを巻き、また電子回路を個別部品により構成する磁気センサは、磁気検出部及び装置全体が大がかりとなり、制作費も高くなる。
【０００６】
また、従来の薄膜軟磁性コアと平面薄膜コイルを用いた磁気検出素子では、励磁コイルにより発生する磁束変化による大きな誘導波形が、測定磁界の有無に関わらず、検出コイルに現れてしまう。このために、その波形を増幅したり、波形の変化から、測定磁界に比例した成分を抽出するための処理が難しくなる。例えば、波形が飽和したり、オフセットが大きくなったりという問題のために、高感度な検出を困難にする。
【０００７】
従来の（半導体基板を用いない）磁気センサでは、測定磁界がないときに誘導波形を打ち消す方法は存在している。
【０００８】
また、従来の半導体磁気センサは、感度は、分解能が低く、その用途が限られていた。また、半導体磁気センサと、空心のコイルを同一基板上に形成し、負帰還を行う方法によっても、感度や分解能における著しい改善はみられない。
【０００９】
本発明は、上記問題点を除去し、感度が高く、正確な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型化が可能な半導体基板上に集積される磁気検出素子及び磁気検出モジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
（１）半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成し、かつ、前記軟磁性膜コアを２個並設し、前記軟磁性膜コアに励磁コイルｎターン（ｎは正の整数）と磁束変化検出用コイルｍターン（ｍは正の整数）を交互に繰り返し巻いた構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる誘導波形を打ち消すようにしたものである。
【００１１】
（２）半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成し、かつ、前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを２つの平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構造を有するようにしたものである。
【００１２】
（３）半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記軟磁性膜コアを２個並設し、前記軟磁性膜コアに励磁コイルｎターン（ｎは正の整数）と磁束変化検出用コイルｍターン（ｍは正の整数）を交互に繰り返し巻いた構造を有し、被検出磁界が零のとき、励磁コイルによる誘導波形を打ち消すようにしたものである。
【００１３】
（４）半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、前記半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを有し、かつ、前記励磁コイルと磁束変化検出用コイルを２つの平面コイルとして重ね、その上に前記軟磁性膜コアを重ねた構造を有する磁気検出素子と、前記励磁コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される励磁コイル駆動用集積回路と、前記磁束変化検出用コイルに接続され、前記半導体基板上に集積される磁気検出信号処理用集積回路とを具備するようにしたものである。
【００１４】
（５）上記（３）又は（４）記載の磁気検出モジュールにおいて、前記励磁コイル駆動用集積回路は、パルス発振器と分周回路と駆動回路とを具備するようにしたものである。
【００１５】
（６）上記（３）又は（４）記載の磁気検出モジュールにおいて、前記磁気検出信号処理用集積回路は、制御信号発生回路と高周波増幅器とクロス結合スイッチと低域通過フィルタとを具備するようにしたものである。
【００１６】
（７）半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、半導体基板上に形成される半導体磁気検出素子と、この半導体磁気検出素子を挟むように配置される一対の軟磁性コアと、この軟磁性コアに巻き回される金属膜により形成される励磁コイルとを設けるようにしたものである。
【００１７】
（８）上記（７）記載の磁気検出モジュールにおいて、前記半導体磁気検出素子はホール素子である。
【００１８】
（９）上記（７）記載の磁気検出モジュールにおいて、前記半導体磁気検出素子は分割ドレイン型磁気トランジスタである。
【００１９】
（１０）半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、半導体基板の中央部に形成される分割ドレイン型磁気トランジスタと、この溝の底部に形成され、前記磁気トランジスタに接続される配線層と、前記溝の下部に形成されるコイルの下層配線と、このコイルの下層配線の上方に形成される軟磁性コアと、この軟磁性コアの上方に配置され、前記コイルの下層配線と接続されるコイルの上層配線とを設けるようにしたものである。
【００２０】
【作用】
本発明によれば、上記のように、
（１）半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成するようにしたので、感度が高く、しかも正確に微弱な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型の半導体基板上に集積される磁気検出素子を得ることができる。
【００２１】
（２）特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイルを積層することができる磁気検出素子を提供することができる。
【００２２】
（３）半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを１ターンずつ交互に巻き、かつ２つの軟磁性膜コアを用いて、外部磁界がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻線構造としているので、超小型で、高感度であり、かつ非常に微弱な磁界が検出できる磁気検出素子を得ることができる。
【００２３】
（４）半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、磁気検出素子、及びその磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することにより、磁気検出モジュール全体を超小型で実現することにより、超小型で、高感度であり、しかも安価で大量生産に優れた磁気検出モジュールを得ることができる。
【００２４】
（５）特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイル、その磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することができる磁気検出モジュールを提供することができる。
【００２５】
【実施例】
本発明の実施例について図を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１実施例の磁気検出素子の概略構成図、図２はその磁気検出素子の動作を示すタイミングチャートであり、図２（ａ）は軟磁性膜コア２ａにおける磁界の波形図、図２（ｂ）は軟磁性膜コア２ｂにおける磁界の波形図、図２（ｃ）は軟磁性膜コア２ａにおける磁束密度の波形図、図２（ｄ）は軟磁性膜コア２ｂにおける磁束密度の波形図、図２（ｅ）は検出コイル３ａに誘起される電圧Ｖ1 ，Ｖ2 の波形図、図２（ｆ）は検出コイル３ａに誘起される電圧Ｖ1 ＋Ｖ2 の波形図である。
【００２７】
これらの図に示すように、２つの軟磁性膜コア２ａ，２ｂに、２つのコイル、つまり、検出コイル（Ａ−Ａ′）３ａと、励磁コイル（Ｂ−Ｂ′）３ｂを巻いた構造を、半導体基板１上に構成する。なお、集積回路を一体化せず、磁気検出素子のみ実現する場合には、ガラス基板なども利用できる。励磁コイル３ｂを図のように巻くと、励磁交流電流によって生じるコア内の磁界が、２つのコアで逆向きになる。一方、検出コイル３ａは、２つのコアにまたがって巻いており、このようにすると、励磁交流電流により電磁誘導のために発生する検出コイル３ａにおける誘起電圧は、２つのコア内の磁界が逆向きなので打ち消される。コア軸方向から外部磁界Ｈm が加わると、２つのコアに対し同じ向きに加わるので、励磁磁界をＨe とすると、２つのコア内の磁界は、それぞれＨm ＋Ｈe ，Ｈm −Ｈe となる。このとき、図２に示すように、検出コイル３ａに電圧が誘起される。その大きさを求めることにより、外部磁界Ｈm の大きさを知ることができる。
【００２８】
特に、半導体（シリコン）基板１を用いる磁気検出素子において、励磁コイル３ｂと検出コイル３ａを２つの軟磁性膜コア２ａ，２ｂに１ターンずつ交互に巻いた構造にすることが重要である。
【００２９】
このように、半導体基板１上で、励磁コイル３ｂと検出コイル３ａを１ターンずつ交互に巻き、かつ２つの軟磁性膜コア２ａ，２ｂを用いて、外部磁界Ｈm がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻線構造としている。
【００３０】
また、上記の構成とは異なり、１つのコアに励磁コイルと検出コイルを巻いたものでも検出は可能であるが、この場合には、外部磁界がなくても検出コイルに大きな誘起電圧波形が生じてしまい、増幅やフィルタリング等の検出コイル出力に対する信号処理が面倒になる。
【００３１】
次に、図１に示される磁気検出素子を半導体基板上に形成する場合の例を図３及び図４に示す。
【００３２】
図３は本発明の第１実施例を示す磁気検出素子の概略平面図、図４は図３のＣ−Ｃ′線断面図である。
【００３３】
これらの図に示すように、半導体基板（シリコン基板）１１上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜（シリコン酸化膜）１２を形成し、その上に、２層の金属配線、つまり、コイルの下層配線１３とコイルの上層配線１８とをスルーホール１７を介して接続することにより、図１に示したと同様な巻線構造の励磁コイル（Ｂ−Ｂ′）３ｂ、検出コイル（Ａ−Ａ′）３ａを実現する。コイルの上層配線１８とコイルの下層配線１３間に、絶縁膜（ポリイミドなど）１４，１６を介して軟磁性膜コア１５を挟んでいる。
【００３４】
従来型の（半導体基板を用いない）磁気検出素子においても、２つのコアに励磁コイルと検出コイルを巻いて、外部磁界がないときに、電磁誘導による誘起波形を打ち消すようにしたものは存在している。半導体基板を用いる場合は、励磁コイルと検出コイルを１ターンずつ交互に巻いた構造とすることが重要である。そうしないと、軟磁性膜コアは、漏れ磁束が大きく、励磁コイルによる磁束の変化を検出コイルで十分ピックアップできなくなる。半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを１ターンずつ交互に巻き、かつ２つのコアを用いて、外部磁界がないときと誘起波形の打ち消しを行う巻線構造が発明の１つ特徴点である。
【００３５】
以下、上記した第１実施例を示す磁気検出素子の製造方法について、図５を参照しながら説明する。
【００３６】
図５は本発明の第１実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を用いた場合で説明する。
【００３７】
（１）まず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板１１上に基板との絶縁のため、熱酸化により絶縁膜（シリコン酸化膜）１２を形成する。
【００３８】
（２）次に、図５（ｂ）に示すように、コイルの下層配線１３となる金属材料を堆積し、ＩＣプロセスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニングを行う。金属材料としては、ＡｌやＣｕを用いる。堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Ｃｕを厚く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効である。
【００３９】
（３）次に、図５（ｃ）に示すように、絶縁をとるための絶縁膜（ポリイミドなど）１４を堆積する。これは、スパッタやＣＶＤ（化学気相成長）によるシリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、ポリイミドなどが利用できる。また、このとき、配線パターンによって磁性膜の下地に凹凸ができないよう平坦化を行う。
【００４０】
（４）次に、図５（ｄ）に示すように、軟磁性材料をを堆積し、パターニングし、軟磁性膜コア１５を形成する。この堆積法としては、電気めっき法やスパッタ法、蒸着法等が利用できる。また、軟磁性材料としては、パーマロイ（ＮｉとＦｅの合金）、各種のアモルファス磁性合金、及びこれらと非磁性材料を交互に積み重ねた多層軟磁性膜が利用できる。
【００４１】
（５）次に、図５（ｅ）に示すように、絶縁をとるための絶縁膜（ポリイミドなど）１６を堆積する。
【００４２】
（６）次に、図５（ｆ）に示すように、スルーホール１７をホトリソグラフィとエッチングによって形成する。
【００４３】
（７）次に、図５（ｇ）に示すように、コイルの上層配線１８となる金属材料を堆積し、パターニングを行う。このとき磁性膜によって、大きな段差を生じるので、ホトリソグラフィにおいては、厚膜レジストを用いるか、または多層レジスト工程などを応用する。
【００４４】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００４５】
図６は本発明の第２実施例を示す磁気検出素子の概略構成図である。
【００４６】
この図に示すように、半導体基板上に、同一平面に形成される２つの平面コイルからなる検出コイル２１ａ，２１ｂと、その上方に配置される１つの平面コイルからなる励磁コイル２２と、その上方であって、同一平面に形成される２つの軟磁性膜コア２３ａ，２３ｂを配置する。すなわち、励磁コイル２２と２つの軟磁性膜コア２３ａ，２３ｂを図６のように重ねて励磁すると、２つの軟磁性膜コア２３ａ，２３ｂは、互いに逆向きに励磁される。これに、検出コイル２１ａ，２１ｂを重ねると、各軟磁性膜コア２３ａ，２３ｂの下の検出コイル２１ａ，２１ｂには、交流励磁電流により、互いに逆極性の電圧波形が誘起される。そこで、検出コイル２１ａ，２１ｂを図６のように巻けば、２つの軟磁性膜コア２３ａ，２３ｂ内の励磁磁束による誘起電圧が打ち消され、第１実施例１と同様な作用効果が期待される。
【００４７】
図７は本発明の第２実施例を示す磁気検出素子の概略平面図、図８は図７のＤ−Ｄ′線断面図である。
【００４８】
図７及び図８において、半導体基板３１上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜３２を形成し、その上に、２つの平面コイルからなる検出コイル（コイルの下層配線）３３を形成し、絶縁膜（ポリイミドなど）３４を介して、その上方に励磁コイル（コイルの上層配線）３５形成し、更に、絶縁膜（ポリイミドなど）３６を介して、同一平面に形成される２つの軟磁性膜コア３７を成形する。３８はコンタクトである。
【００４９】
以下、上記した第２実施例を示す磁気検出素子の製造方法について、図９を参照しながら説明する。
【００５０】
図９は本発明の第２実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を用いた場合で説明する。
【００５１】
（１）まず、図９（ａ）に示すように、シリコン基板３１上に基板との絶縁のため、熱酸化により絶縁膜（シリコン酸化膜）３２を形成する。
【００５２】
（２）次に、図９（ｂ）に示すように、コイルの下層配線３３となる金属材料を堆積し、ＩＣプロセスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニングを行う。金属材料としては、ＡｌやＣｕを用いる。堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Ｃｕを厚く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効である。
【００５３】
（３）次に、図９（ｃ）に示すように、絶縁をとるための絶縁膜（ポリイミドなど）３４を堆積する。これは、スパッタやＣＶＤ（化学気相成長）によるシリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、ポリイミドなどが利用できる。また、このとき、配線パターンによって磁性膜の下地に凹凸ができないよう平坦化を行う。
【００５４】
（４）次に、図９（ｄ）に示すように、コイルの上層配線３５となる金属材料を堆積し、ＩＣプロセスのホトリソグラフィとエッチングによってパターニングを行う。金属材料としては、ＡｌやＣｕを用いる。堆積法は、スパッタ、蒸着など様々であるが、Ｃｕを厚く堆積する場合、電気めっき、無電解めっきが有効である。
【００５５】
（５）次に、図９（ｅ）に示すように、絶縁をとるための絶縁膜（ポリイミドなど）３６を堆積する。これは、スパッタやＣＶＤ（化学気相成長）によるシリコン酸化膜、ハードキュアを行ったホトレジスト、ポリイミドなどが利用できる。
【００５６】
（６）次に、図９（ｆ）に示すように、軟磁性材料を堆積し、パターニングを行い、軟磁性膜コア３７を形成する。この堆積法としては、電気めっき法やスパッタ法、蒸着法等が利用できる。また、軟磁性材料としては、パーマロイ（ＮｉとＦｅの合金）、各種のアモルファス磁性合金、及びこれらと非磁性材料を交互に積み重ねた多層軟磁性膜が利用できる。
【００５７】
このように構成することにより、第１実施例に比べて、製作工程が簡単であり、スルーホールの数も非常に少なくて済むので、歩留まりが向上する。
【００５８】
更に、上層配線の形成の際、大きな段差がないので、通常のホトリソグラフィプロセスが適用できる。
【００５９】
また、軟磁性膜コアを一番最後に形成できるので、素子を製作する過程において発生する熱的なストレスが軟磁性膜コアに発生せず、軟磁性膜コアの特性が向上できる。
【００６０】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００６１】
図１０は本発明の第３実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【００６２】
この図に示すように、半導体（シリコン）基板４１上に励磁コイル駆動用集積回路４２、磁気検出素子４３及び磁気検出信号処理用集積回路４４を組み合わせ、磁気検出モジュールを構成している。
【００６３】
ここで、磁気検出素子４３としては、上記第１実施例及び第２実施例で述べた検出素子を用い、この磁気検出素子と必要な電子回路を同一半導体基板４１上に集積化する。
【００６４】
図１１は本発明の第３実施例を示す磁気検出モジュールとして組み込まれる集積回路のブロック図、図１２はその磁気検出モジュールの回路動作を示すタイミングチャートである。
【００６５】
図１１において、この磁気検出モジュールは、大別すると、励磁コイル駆動用集積回路５１、磁気検出素子５５と磁気検出信号処理用集積回路５６からなる。
【００６６】
そして、励磁コイル駆動用集積回路５１は、パルス発振器５２、分周回路５３及び駆動回路５４からなる。
【００６７】
また、磁気検出素子５５は、コア５５ｃ、励磁コイル５５ａ、検出コイル５５ｂからなる。
【００６８】
更に、磁気検出信号処理用集積回路５６は、高周波増幅器５７、クロス結合スイッチ回路５８、低域通過フィルタ５９、位相調整及び制御信号発生部６０を有している。
【００６９】
まず、パルス発振器５２で電圧パルスＰ1 （４ｆ0 ）を発生し、この電圧パルスＰ1 （４ｆ0 ）を、まず分周回路（第１段）５３に通して、周波数が１／２でデューティ比が５０％のパルスＰ2 （２ｆ0 ）に変換する。このパルスの周波数（２ｆ0 ）は、十分高い感度が得られるよう１ＭＨｚ程度以上の高い周波数とする。さらに、分周回路（第２段）５３により、周波数がその１／２のパルスＰ3 （ｆ0 ）を生成する。駆動回路５４では、このパルスＰ3 （ｆ0 ）を３角波に変換し、磁気検出素子５５の励磁コイル５５ａを３角波状の電流Ｐ4 で駆動する。このとき、磁気検出素子５５の検出コイル５５ｂには、外部磁界がなければ、電圧は現れず、外部磁界が加わったとき、図１２（ｅ）に示すような波形が現れる。ここで、磁界の向きが順方向のとき、実線のような波形であるとすると、逆方向の磁界に対しては、破線のような波形となる。この波形を高周波増幅器５７により増幅した後、クロス結合スイッチ回路５８に通す。ここでは、初段の分周回路の出力をもとにして発生した図１２（ａ）と図１２（ｂ）のような２つのパルスを用いて、電圧の極性を切り替えることにより、図１２（ｆ）のような波形に変換する。
【００７０】
図１３はそのクロス結合スイッチ回路の動作の説明図であり、電圧の極性の切り替えの原理を示している。
【００７１】
この図において、制御信号φが“１”の場合、ストレートに接続されるようスイッチが制御され、入出力の電圧の極性は同じであるが、φが“０”の場合、接続がクロスするようスイッチが制御され、電圧の極性が反転する。したがって、図１２のようなタイミングで制御すれば、図１２（ｆ）のような波形が得られる。この後、これを低域通過フィルタ５９に通せば、図１２（ｇ）の波形の直流成分が得られるが、その大きさは、外部直流磁界の大きさに比例しており、外部磁界が測定できる。なお、逆方法の磁界の場合には、図１２（ｇ）の波形は破線の通りとなり、低域通過フィルタの通過後は、逆極性の電圧が得られる。すなわち、方向性を持った検出を行うことができる。
【００７２】
上記のクロス結合スイッチ回路をＭＯＳトランジスタ回路で実現すると、図１４に示すような回路となる。
【００７３】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００７４】
図１５は本発明の第４実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【００７５】
この実施例では、検出コイルの代わりに、半導体磁気センサを用いるようにしたものである。より具体的には、図１５（ａ）においては、中央にホール素子を用いた半導体磁気検出素子６１を配置し、これを軟磁性コア６２，６３と励磁コイル６４，６５を組み合わせて構成した磁気検出モジュールである。
【００７６】
また、図１５（ｂ）においては、中央に分割ドレイン型磁気トランジスタを用いた半導体磁気検出素子７１を配置し、これを軟磁性コア７２，７３と励磁コイル７４，７５を組み合わせて構成した磁気検出モジュールである。
【００７７】
これらは軟磁性コアによって磁束を収束し、半導体磁気検出素子の感度を高めたものと考えることができる。十分な効果を得るために、まず、反磁界の影響を考慮して十分に長いコアを用いる。２つのコアのギャップ部に半導体磁気検出素子を配置し、ギャップをできる限り狭くする。また、コアにコイルを巻き、コアの磁化が飽和する程度に十分大きな振幅の交流信号で励磁する。半導体磁気検出素子は、この交流励磁電流による磁界と外部磁界の和により生じたコアの磁束密度波形の変化を検出する。外部磁界によって、磁束密度波形が変化し、適当な信号処理を行うことによって、外部磁界に比例した電圧を得ることができる。
【００７８】
このような交流励磁を用いないと、コアが磁化してしまい、感度が下がったり、検出特性にヒステリシスを持つようになる。
【００７９】
図１６は本発明の第４実施例を示す磁気検出モジュールを半導体基板上に実現する場合の概略平面図、図１７は図１６のＡ−Ａ′線断面図である。
【００８０】
ここでは、半導体磁気検出素子としては、分割ドレイン型磁気トランジスタを２つ用いている。これは、単結晶シリコン基板を用いて、結晶軸異方性エッチング台形状の溝を作り、溝の斜面に、２つの磁気トランジスタを構成する。また溝の斜面を利用して、下層の金属配線を形成し、また、溝の中に磁性材料を埋め込む。その上に上層配線を形成して、スルーホールを経由して、下層配線と螺旋状に接続することにより、コイルを形成する。このようにして、図１５（ｂ）と類似の構造が実現できる。
【００８１】
図１６及び図１７において、８１はｐ型単結晶シリコン基板、８４は深い部位に形成されるチャネルとなるｎ型不純物層、８５は浅い部位に形成される上部ゲートとなるｐ型不純物層、８７はｎチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのドレイン（ｎ+ ）拡散層、８８はｎチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのソース（ｎ+ ）拡散層、８９はシリコン酸化膜、９０はコイルの下層配線、９１は絶縁膜（ポリイミドなど）、９２は溝に埋め込まれた軟磁性材料からなる軟磁性コア、９３は絶縁膜（ポリイミドなど）、９４はコンタクトホール、９５はコイルの上層配線、９６はコンタクト、９７は金属電極を示している。
【００８２】
図１８は本発明の第４実施例を示す半導体磁気センサ部の動作原理を示す図であり、この図を用いて半導体磁気センサ部の動作原理について説明すると、分割ドレイン型磁気検出素子は、チャネルの面に垂直に磁界が加わったとき、キャリアである電子が、磁界によるローレンツ力を受けて軌道が曲げられることにより、２つのドレイン間に電流差が生じ、その差が磁界の大きさに比例することを利用するものである。
【００８３】
このような２つの磁気トランジスタが、図１８のような角度で配置され、接続されていると、図のような方向の磁界に対して、Ｉa1，Ｉb1が増加し、逆に、Ｉa2，Ｉb2は、減少する。したがって、単純に２つの磁気トランジスタを図１８のように接続することによって、２つの磁気トランジスタの電流変化の和を求めることができる。また、各磁気トランジスタは、面に垂直な方向に最大感度を持つが、これらは、コアの軸に対して傾いている。しかし、２つの和を求めることによって、その合成出力はコアの軸方向に最大感度を持つようになる。
【００８４】
図１９は本発明の第４実施例を示す磁気検出モジュールの製造工程断面図である。ここでは、半導体シリコン基板を用いた場合で説明する。
【００８５】
（１）まず、図１９（ａ）に示すように、面方位１００のｐ型の単結晶シリコン基板８１を用い、その上にシリコン酸化膜を成長させ、ホトリソによりシリコン酸化膜８２を形成する。
【００８６】
（２）次に、シリコン酸化膜８２をマスクとして、図１９（ｂ）に示すように、結晶軸異方性エッチングにより、台形状の溝を形成する。これは、アルカリ系の特殊なエッチング液を用いると、１００方向に比べて１１１方向のエッチング速度が極端に遅くなることを利用するものである。これによって１１１面に相当する面が斜面となる正確な台形状の立体構造が得られる。その溝の斜面にｎチャネル接合型電解効果トランジスタをベースにした分割ドレイン型磁気トランジスタを作成する。まず、パターニングされたフォトレジスト８３をマスクとして、イオン注入によりｎ型不純物を深く導入して、チャネルとなるｎ型不純物層８４を形成する。次いで、ｐ型不純物を浅く導入し、上部ゲートとなるｐ型不純物層８５を形成する。
【００８７】
（３）次に、図１９（ｃ）に示すように、熱処理を兼ねてシリコン酸化膜８６を熱酸化により成長させる。
【００８８】
（４）次に、図１９（ｄ）に示すように、ソース、ドレインの部分の酸化膜を除去し、この部分に電極をとるため、高濃度のｎ型不純物を導入し、ｎチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのドレイン（ｎ+ ）拡散層８７と、ｎチャネル接合型電解効果トランジスタを利用した分割ドレイン型磁気トランジスタのソース（ｎ+ ）拡散層８８とを形成する。これは、熱拡散、イオン注入いずれでも可能である。
【００８９】
（５）次に、図１９（ｅ）に示すように、シリコン酸化膜８９を再度全体的に成長させた後、コイルの下層配線９０となる金属材料を堆積し、パターニングを行う。
【００９０】
（６）次に、図１９（ｆ）に示すように、絶縁材料からなる絶縁膜（ポリイミドなど）９１を堆積した後、溝の中に埋め込まれた形に軟磁性材料を堆積した後、パターニングし、軟磁性コア９２を形成する。
【００９１】
（７）次に、再度絶縁膜（ポリイミドなど）９３を堆積し、コンタクトホール９４を形成した後、コイルの上層配線９５を堆積してパターニングし、コイルの上層配線９５とコイルの下層配線９０とをコンタクト９６で接続してコイルの構造を完成するとともに、磁気トランジスタのソース、ドレインへの金属電極９７を形成する。
【００９２】
図２０に、図１６に示した磁気検出モジュールの構成を示す。その動作を図２１のタイミングチャートを用いて説明する。
【００９３】
パルス発振器１０１から出力され、図２１（ａ）に示す基準クロックａを分周回路１０２に通し、図２１（ｂ）に示す１／２の周波数でデューティ比が５０％のパルスｂを生成する。コイルの駆動回路１０３で、図２１（ｃ）に示す３角波状の波形ｃに変換し、コアの磁化が十分飽和する程度に大きな振幅でコアを駆動する。このとき、コア内の磁束密度波形は、磁界の振幅が大きくなったところで飽和し、これを２つのコアのギャップ部に挟んだ磁気トランジスタで検出すると磁気トランジスタには、コア内の磁束密度波形と同様な、図２１（ｄ）に示す電圧波形ｄが発生する。外部磁界がない場合は、対称的な波形であるが、外部直流磁界が重畳すると、破線のように波形が変化する。磁気トランジスタの出力を、ＡＣ（交流）アンプ１０８で増幅するとともに、直流成分をカットすると、図２１（ｅ）のようになり、外部磁界がない場合変化はないが、外部磁界が加わった場合では、破線のように変化する。そこで、台形状の波形の正と負のピーク値をそれぞれサンプルし、これらの和を求めることで台形の高さの差を求めることができる。この値は、外部の磁界に比例している。このような演算は、スイッチトキャパシタ方式の減算器１１０とＳ／Ｈ（サンプル／ホールド）回路１２０により行うことができる。まず、図２１（ｆ）のようなパルスを生成してこれによって負のピーク値のサンプリングを行い、その電圧でキャパシタＣ1 を充電する。次に、図２１（ｇ）のパルスで正のピーク値のサンプリングを行うと、キャパシタＣ1 にその電圧が充電されるとともに、正負のピーク値の差に比例した電荷がキャパシタＣ2 に転送される。これにより生じた図２１（ｈ）に示す電圧（ｈ）をＳ／Ｈ回路１２０でサンプルして保持することにより、図２１（ｉ）のような直流電圧が得られる。その大きさは、外部磁界に比例している。
【００９４】
なお、図２０において、１０５は直流電源、１０６及び１０７は抵抗、１０９は制御信号発生回路、１１１，１１２，１１６及び１２１はスイッチ、Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 はキャパシタ１１３，１１５，１２２である。なお、１０４は検出コイル、１１４，１２３はＭＯＳ型オペアンプである。
【００９５】
このような電子回路は、第３実施例の場合と同様、検出素子とともに同一シリコン基板上に作製し、集積化することができる。
【００９６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００９７】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００９８】
（１）半導体基板に集積される磁気検出素子において、半導体基板上に形成される軟磁性膜コアと、この軟磁性膜コアを交流的に励磁するための金属膜により形成される励磁コイルと、金属膜により形成される磁束変化検出用コイルとを形成するようにしたので、感度が高く、しかも正確な磁気の検出を行うことができ、しかも超小型の半導体基板上に集積される磁気検出素子を得ることができる。
【００９９】
（２）特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイルを積層することができる磁気検出素子を提供することができる。
【０１００】
（３）半導体基板上で、励磁コイルと検出コイルを１ターンずつ交互に巻き、かつ２つの軟磁性膜コアを用いて、外部磁界がないとき、誘起波形の打ち消しを行う巻線構造としているので、超小型で、高感度であり、しかも極めて微弱な磁界を検出できる磁気検出素子を得ることができる。
【０１０１】
（４）半導体基板に集積される磁性体を用いた磁気検出モジュールにおいて、磁気検出素子、及びその磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することにより、磁気検出モジュール全体を超小型で実現することにより、超小型で、高感度であり、しかも安価で大量生産の容易な磁気検出モジュールを得ることができる。
【０１０２】
（５）特に、モノリシック半導体基板上に薄膜技術を用いて、軟磁性膜コア、励磁コイル、磁束変化検出用コイル、その磁気検出素子に必要な電子回路を集積回路として一体化することができる磁気検出モジュールを提供することができる。
【０１０３】
このようにして得られる磁気検出素子及び磁気検出モジュールは、例えば、地磁気検出によるナビゲーションシステム、地磁気変動モニタ（地震予知）、一部の生体磁気計測、金属材料の欠陥検出、間接的な応用として、磁気エンコーダ、無接点ポテンションメータ、電流センサ、トルクセンサ、変位センサ等として、広汎な利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の磁気検出素子の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例の磁気検出素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第１実施例を示す磁気検出素子の概略平面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ′線断面図である。
【図５】本発明の第１実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す磁気検出素子の概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施例を示す磁気検出素子の概略平面図である。
【図８】図７のＤ−Ｄ′線断面図である。
【図９】本発明の第２実施例を示す磁気検出素子の製造工程断面図である。
【図１０】本発明の第３実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【図１１】本発明の第３実施例を示す磁気検出モジュールとして組み込まれる集積回路のブロック図である。
【図１２】本発明の第３実施例を示す磁気検出モジュールの回路動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】本発明の第３実施例を示す磁気検出モジュールのクロス結合スイッチ回路の動作の説明図である。
【図１４】本発明の第３実施例を示す磁気検出モジュールのクロス結合スイッチ回路をＭＯＳトランジスタ回路で実現した回路図である。
【図１５】本発明の第４実施例を示す磁気検出モジュールの概略構成図である。
【図１６】本発明の第４実施例を示す磁気検出モジュールを半導体基板上に実現する場合の概略平面図である。
【図１７】図１６のＡ−Ａ′線断面図である。
【図１８】本発明の第４実施例を示す半導体磁気センサ部の動作原理を示す図である。
【図１９】本発明の第４実施例を示す磁気センサの製造工程断面図である。
【図２０】本発明の第４実施例を示す磁気検出モジュールの構成図である。
【図２１】本発明の第４実施例を示す磁気検出モジュールのタイミングチャートである。
【符号の説明】
１，１１，３１，４１    半導体基板（シリコン基板）
２ａ，２ｂ，１５，２３ａ，２３ｂ，３７    軟磁性膜コア
３ａ，２１ａ，２１ｂ，５５ｂ，１０４    検出コイル
３ｂ，２２，５５ａ，６４，６５，７４，７５    励磁コイル
１２，３２    絶縁膜（シリコン酸化膜）
１３，３３，９０    コイルの下層配線
１４，１６，３４，３６，９１，９３    絶縁膜（ポリイミドなど）
１７    スルーホール
１８，３５，９５    コイルの上層配線
３８    コンタクト
４２，５１    励磁コイル駆動用集積回路
４３，５５    磁気検出素子
４４，５６    磁気検出信号処理用集積回路
５２，１０１    パルス発振器
５３，１０２    分周回路
５４，１０３    駆動回路
５５ｃ    コア
５７    高周波増幅器
５８    クロス結合スイッチ回路
５９    低域通過フィルタ
６０    位相調整及び制御信号発生部
６１，７１    半導体磁気検出素子
６２，６３，７２，７３，９２    軟磁性コア
８１    ｐ型単結晶シリコン基板
８２，８６，８９    シリコン酸化膜
８３    フォトレジスト
８４    チャネルとなるｎ型不純物層
８５    上部ゲートとなるｐ型不純物層
８７    分割ドレイン型磁気トランジスタのドレイン（ｎ+ ）拡散層
８８    分割ドレイン型磁気トランジスタのソース（ｎ+ ）拡散層
９４    コンタクトホール
９６    コンタクト
９７    金属電極
１０５    直流電源
１０６，１０７    抵抗
１０８    ＡＣ（交流）アンプ
１０９    制御パルス発生回路
１１０    減算器
１１１，１１２，１１６，１２１    スイッチ
１１３，１１５，１２２ キャパシタ
１１４，１２４ ＭＯＳ型オペアンプ
１２０    Ｓ／Ｈ（サンプル／ホールド）回路
【図１】
0003545074.tif 000002
【図２】
0003545074.tif 000003
【図３】
0003545074.tif 000004
【図４】
0003545074.tif 000005
【図５】
0003545074.tif 000006
【図６】
0003545074.tif 000007
【図７】
0003545074.tif 000008
【図８】
0003545074.tif 000009
【図９】
0003545074.tif 000010
【図１０】
0003545074.tif 000011
【図１１】
0003545074.tif 000012
【図１２】
0003545074.tif 000013
【図１３】
0003545074.tif 000014
【図１４】
0003545074.tif 000015
【図１５】
0003545074.tif 000016
【図１６】
0003545074.tif 000017
【図１７】
0003545074.tif 000018
【図１８】
0003545074.tif 000019
【図１９】
0003545074.tif 000020
【図２０】
0003545074.tif 000021
【図２１】
0003545074.tif 000022