(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面において、ソース領域とドレイン領域との少なくとも一方が、３個以上の複数個に分離された分離領域として設けられるとともに、前記ソース領域とドレイン領域との間に形成されるチャネル領域を制御するゲート電極を備え、前記半導体基板の主面に対して垂直方向に印加される被検出磁界によって前記チャネル領域を流れるキャリアが偏向されることによって、前記分離領域のキャリア密度が前記被検出磁界の強さに応じて変化する半導体磁気センサを備え、
当該半導体磁気センサにおいて、前記複数個の分離領域は、前記チャネル領域の少なくとも一辺に臨むように配列され、
さらに、前記複数個の分離領域の配列における端部側に位置する分離領域からの信号を用いて、前記被検出磁界の強さに応じた出力を作成する出力作成手段を備えることを特徴とする半導体磁気センサ装置。
【請求項２】
前記出力作成手段は、前記複数個の分離領域の配列における最端部に位置する分離領域からの信号を用いて、前記被検出磁界の強さに応じた出力を作成することを特徴とする請求項１に記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項３】
前記出力作成手段は、前記複数個の分離領域の配列における両側の最端部に位置する２つの分離領域の差動信号を作成する差動信号作成手段として構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項４】
前記出力作成手段は、前記複数個の分離領域の配列における最端部に位置する分離領域からの信号と、所定の閾値とを比較することにより、前記被検出磁界の強さに応じた出力を２値化信号として出力する２値化手段として構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項５】
前記チャネル領域は、矩形状に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体磁気センサ装置。
【請求項６】
前記チャネル領域は、円弧状に形成され、前記複数個の分離領域は、前記円弧状のチャネル領域の外周側の辺に沿って配列されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体磁気センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界の強さを検出する半導体磁気センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁界の強さを検出可能な半導体磁気センサとしては、例えば文献「A High-Resolution Integrated Magnetic sensor using Chopper-Stabilized Amplification」（TECHINICAL DIGEST OF THE 12TH SENSOR SYMPOSIUM,1994 pp.205〜208）に示されるものがある。
【０００３】
この従来の半導体磁気センサは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴ構造を有し、例えばｐ型半導体基板５の主面にｎ+ソース領域１ａ、１ｂ及びｎ+ドレイン領域２ａ、２ｂが形成され、かつそのｎ+ソース領域１ａ、１ｂとｎ+ドレイン領域２ａ、２ｂとの間には、シリコン酸化膜等の絶縁膜４を介してチャネル領域９を誘起させるためのゲート電極３が形成される。
【０００４】
ｎ+ソース領域１ａ、１ｂは２つの領域に分離され、かつｎ+ドレイン領域２ａ、２ｂも２つの領域に分離されている。そして、図４（ｂ）に示すように、２つの領域に分離されたｎ+ソース領域１ａ、１ｂにそれぞれに接触する別個のソース電極を介して、各ｎ+ソース領域１ａ、１ｂは定電流回路８に接続される。従って、各ｎ+ソース領域１ａ、１ｂには、それぞれ等しい電流が流れる。一方、２つのｎ+ドレイン領域２ａ、２ｂについては、それぞれに接触する別個のドレイン電極を介して、電流センサ７が接続され、２つのｎ+ドレイン領域２ａ、２ｂを流れる電流値がそれぞれ測定される。
【０００５】
上記の構成を有する半導体磁気センサ６に磁界が印加されていない場合には、ｎ+ソース領域１ａからｎ+ドレイン領域２ａへ流れるキャリアと、ｎ+ソース領域１ｂからｎ+ドレイン領域２ｂへ流れるキャリアとはほぼ同一となる。しかし、ｐ型半導体基板５の主面に垂直に磁界が印加されたときには、図４（ｃ）に示すように、ゲート電極３によって誘起されたチャネル領域９を流れるキャリアがローレンツ力を受けて偏向され、その一部のキャリアは、ｎ+ソース領域１ｂからｎ+ドレイン領域２ａに流れ込む。すなわち、上記半導体磁気センサ６は、ホール効果を利用して、被検出磁界の強度に対応した電流値の差を、それぞれ対となるｎ+ソース領域１ａとｎ+ドレイン領域１ｂ及びｎ+ソース領域１ｂとｎ+ドレイン領域１ｂの間に発生させるものである。従って、２つのｎ+ドレイン領域２ａ、２ｂを流れる電流値の差から、被検出磁界の強度を求めることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体磁気センサ６においては、被検出磁界によってキャリアが偏向された場合であっても、ｎ+ソース領域１ａからｎ+ドレイン領域２ｂへ流れ込むキャリア、あるいはｎ+ソース領域１ｂからｎ+ドレイン領域２ａに流れ込むキャリアは、チャネル領域の中央付近を流れるキャリアが主であったため、その量は僅かなものである。このため、被検出磁界の大きさに応じて、それぞれ対となるｎ+ソース領域１ａとｎ+ドレイン領域１ｂ及びｎ+ソース領域１ｂとｎ+ドレイン領域１ｂの間に発生する電流値の差も小さいものとなる。従って、従来の半導体磁気センサの磁界の検出感度は、必ずしも満足できるものではなかった。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、被検出磁界の検出感度を向上することが可能な半導体磁気センサ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の半導体磁気センサ装置は、半導体基板の主面において、ソース領域とドレイン領域との少なくとも一方が、３個以上の複数個に分離された分離領域として設けられるとともに、ソース領域とドレイン領域との間に形成されるチャネル領域を制御するゲート電極を備え、半導体基板の主面に対して垂直方向に印加される被検出磁界によってチャネル領域を流れるキャリアが偏向されることによって、分離領域のキャリア密度が被検出磁界の強さに応じて変化する半導体磁気センサを備え、この半導体磁気センサにおいて、複数個の分離領域は、チャネル領域の少なくとも一辺に臨むように配列され、さらに、複数個の分離領域の配列における端部側に位置する分離領域からの信号を用いて、被検出磁界の強さに応じた出力を作成する出力作成手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
半導体磁気センサにおいては、被検出磁界が作用したとき、チャネル領域を流れるキャリアが偏向されるため、複数個の分離領域のそれぞれのキャリア密度は、複数個の分離領域の配列における一方の端部に位置する分離領域から他方の端部に位置する分離領域に向かって、単調に増加もしくは減少する傾向を示す。従って、請求項１に記載の半導体磁気センサ装置においては、分離領域を３個以上の複数個とするとともに、その複数個の分離領域の配列における端部側に位置する分離領域からの信号に基づいて、被検出磁界の強さに応じた出力を作成する。すなわち、複数個の分離領域の配列において端部側に位置する分離領域ほど、被検出磁界によるキャリア密度の増加・減少の変化が顕著に現れるため、この端部側に位置する分離領域からの信号に基づいて被検出磁界の強度に応じた出力を作成することにより、被検出磁界の検出感度を向上できるのである。
【００１０】
請求項２に記載したように、出力作成手段は、複数個の分離領域の配列における最端部に位置する分離領域からの信号を用いて、被検出磁界の強さに応じた出力を作成することが好ましい。複数個の分離領域の配列における最端部に位置する分離領域において、キャリア密度が最も大きく変化するためである。
【００１１】
請求項３に記載したように、出力作成手段は、複数個の分離領域の配列における両側の最端部に位置する２つの分離領域の差動信号を作成する差動信号作成手段として構成されることが好ましい。複数個の分離領域の配列における一方の最端部に位置する分離領域と、他方の最端部に位置する分離領域とのキャリア密度は、一方が最も減少し、他方が最も増加する関係にある。従って、この両側の最端部に位置する２つの分離領域からの信号から、差動信号を作成すると、１つの分離領域から信号を得た場合に比較して、倍以上の大きさの信号を得ることができる。
【００１２】
請求項４に記載したように、出力作成手段は、複数個の分離領域の配列における最端部に位置する分離領域からの信号と、所定の閾値とを比較することにより、被検出磁界の強さに応じた出力を２値化信号として出力する２値化手段として構成することも可能である。この場合でも、分離領域を３個以上の複数個に分離することにより、配列の最端部に位置する分離領域からの信号は、十分に大きな信号となるため、差動演算を行なわなくとも、ある程度の磁界の検出感度を確保できる。
【００１３】
上述した複数個の分離領域は、チャネル領域の少なくとも一辺に臨むように配列されるが、そのチャネル領域の形状としては、請求項５に記載したように矩形状に形成する以外に、例えば、請求項６に記載したように、円弧状に形成してもよい。複数個の分離領域を円弧状に形成したチャネル領域の外周側の辺に沿って配列すると、半導体磁気センサの面積を小さく保ちながら、より多くの分離領域を配置することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態による半導体磁気センサ装置の構成を模式的に示す平面図である。図１において、１１はｎ+ソース領域を示し、１２ａ〜１２ｈは分離された８個のｎ+ドレイン領域を示している。これらのｎ+ソース領域１１及び８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈは、図示しないｐ型半導体基板の主面に形成される。すなわち、本実施形態の半導体磁気センサは、ｎＭＯＳ型ＦＥＴ構造を有している。
【００１６】
ｎ+ソース領域１１は、ソース電極１５に接続される。このソース電極１５は、配線１８を介して、定電流回路２６に接続されている。従って、ｎ+ソース領域１１には、定電流回路２６によって規定される一定電流が通電される。
【００１７】
分離された８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈは、互いに等しい形状を有する。そして、これら８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈは、矩形状に形成されるチャネル領域１４の一辺に臨むように直線状に配列されている。８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈは、８個のドレイン電極１６ａ〜１６ｈにそれぞれ接続される。８個のドレイン電極１６ａ〜１６ｈは、それぞれ、配線１９ａ〜１９ｈにより、負荷抵抗２０ａ〜２０ｈを介して共通の電源に接続されている。
【００１８】
ｎ+ソース領域１１と８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈとの間のｐ型半導体基板の主面にチャネル領域１４を誘起させるために、図示しないゲート絶縁膜を介してゲート電極１３が形成されている。このゲート電極１３は、略矩形状に形成されるとともに、ゲートコンタクト２１を介して配線２２に接続されている。配線２２は、バイアス電源２３に接続されており、この結果、ゲート電極１３には、バイアス電圧が印加される。このバイアス電圧の印加により、ｐ型半導体基板の表面にチャネル領域１４が誘起される。
【００１９】
上述した構造を有する半導体磁気センサは、標準的なＭＯＳプロセスにより製造することができるものである。
【００２０】
チャネル領域１４の一辺に臨むように配列された８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈの両端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈのドレイン電極１６ａ，１６ｈが、配線２４，２５によって出力回路２７に接続される。ドレイン電極１６ａ，１６ｈは、負荷抵抗２０ａ，２０ｈを介して電源に接続されているため、出力回路２７には、両端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈを流れる電流に応じた電圧信号が入力される。すなわち、ｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈを流れる電流が小さい時には、負荷抵抗２０ａ，２０ｂにおける電圧降下が小さくなるので、ドレイン電極１６ａ，１６ｂの電圧信号は大きくなる。そして、ｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈを流れる電流が大きくなるほど、負荷抵抗２０ａ，２０ｂの電圧降下が大きくなるので、ドレイン電極１６ａ，１６ｂの電圧信号は小さくなる。
【００２１】
出力回路２７は、例えば差動増幅器によって構成され、両端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈのドレイン電極１６ａ，１６ｈから出力される電圧信号に対して差動演算を行い、その作動演算結果を、被検出磁界の強度に対応した信号として出力する。
【００２２】
次に、上記構成を有する半導体磁気センサ装置の作用について説明する。
【００２３】
半導体磁気センサに磁界が印加されていない場合には（Ｂ＝０）、ゲート電極１３によって誘起されたチャネル領域１４を流れるキャリアは、ｎ+ソース領域１１から８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈに直線的に進む。８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈは同じ形状に形成されているので、各ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈにおけるキャリア密度、すなわち電流密度は同一となり、各ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈには同じ値の電流が流れる。
【００２４】
一方、ｐ型半導体基板の主面に垂直に磁界が印加されたときには（Ｂ≠０）、チャネル領域１４を流れるキャリアがローレンツ力を受けて偏向される。このため、チャネル領域１４の一辺に臨むように配列された８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈに流れ込むキャリア密度、すなわち電流密度が変化する。その電流密度の変化状態を図２に示す。なお、図２では、図１の半導体磁気センサのチャネル領域１４を流れるキャリア（電子）が、右方向に偏向され、右端に位置するｎ+ドレイン領域１２ｈの電流密度が最も高くなり、左端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａの電流密度が最も低くなった例を示している。
【００２５】
図２に示すように、８個のｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈにおいては、左端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａから右端に位置するｎ+ドレイン領域１２ｈに向かって、電流密度は単調に増加する傾向を示す。さらに、本実施形態では、ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈを８個に分離しているため、左端と右端とに位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈの電流密度の差が大きくなる。
【００２６】
ここで、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ｎ+ドレイン領域２ａ，２ｂが２個に分離された従来の半導体磁気センサにおいても、ｎ+ドレイン領域２ａ及びｎ+ドレイン領域２ｂ内の左端から右端にかけて、電流密度は徐々に増加しているものと考えられる。しかし、ｎ+ドレイン領域２ａ，２ｂとも、それぞれ一体として形成されているので、大小の電流密度が平均化されてしまう。その結果、図２に示すように、ｎ+ドレイン領域２ａ，２ｂから取り出される信号は、平均化された電流密度に基づくものとなるため、仮にその差動を取った場合にも、それほど大きなレベルの信号を得ることはできない。
【００２７】
それに対して、本実施形態においては、上述したように、ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈを８個に分離しているので、従来の半導体磁気センサに比較して電流密度の平均化を抑制できる。このため、両端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｂの電流密度は、磁界が印加されていない場合（Ｂ＝０）の電流密度から大きく減少あるいは増加したものとできる。なお、ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈは、物理的に所定の幅を持っているため、その幅における電流密度の平均値が、それぞれのｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈの電流密度となることは避けられないことである。しかし、ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈを複数個に分離する際に、そのｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈの数を増やすほど、電流密度の平均化の抑制が図られるため、両端位置に存在するｎ+ドレイン領域の電流密度の差を大きくすることができる。
【００２８】
ただし、ｎ+ドレイン領域を３個以上の複数個に分離することにより、少なくとも従来の半導体磁気センサよりも大きなレベルの信号を得ることが可能となる。さらに、従来の半導体磁気センサよりも明らかにレベルの大きな信号を得るためには、ｎ+ドレイン領域を少なくとも４個以上の複数個に分離しつつ、両端部に位置するｎ+ドレイン領域から取り出される信号に対して差動演算を行なえば良い。
【００２９】
また、本発明者が、図１に示す構成の半導体磁気センサを製作し、各ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈの電流密度を測定したところ、図２に示すように、電流密度は、直線的に増加するのではなく、右端及び左端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈに近づくほど、電流密度の増加・減少の勾配が大きくなることが確認できた。このような現象が生ずる理由は明らかではないが、増加・減少勾配の増大によって、一層、右端及び左端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈの電流密度が増加・減少するため、それらの電流密度の差が大きくなる。ちなみに、従来の半導体磁気センサの差動信号の大きさに対して、本実施形態による半導体磁気センサのｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈの電流密度による差動信号の大きさは、約２．５倍に拡大することができた。
【００３０】
そして、本実施形態においては、右端及び左端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈのドレイン電極１６ａ，１６ｈを出力回路２７に接続し、ｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｂの電流密度に応じた電圧信号の差動出力を求め、これを被検出磁界の強さに応じた信号として出力する。このため、被検出磁界の強度変化に対する作動出力の変化を大きくできるので、被検出磁界の検出感度を向上できるのである。
【００３１】
（変形例）
上述した実施形態においては、チャネル領域１４は略矩形状に形成されていた。しかしながら、チャネル領域の形状は、矩形に限られるものではない。例えば、図３に示すように、チャネル領域３４は円弧状に形成することができる。この場合、ゲート電極３３を円弧状に形成することにより、このゲート電極３３によって誘起されるチャネル領域３４の形状も円弧状になる。そして、チャネル領域３４を円弧状に形成しつつ、複数個のドレイン領域３２を円弧状に形成したチャネル領域３４の外周側の辺に沿って配列すると、半導体磁気センサの面積を小さく保ちながら、より多くのドレイン領域３２を配置することができる。なお、図３に示す例では、１０個のドレイン領域３２が設けられており、この各ドレイン領域３２から等距離となる円弧状のチャネル領域３４の内周側の辺に沿って、共通のソース領域３１が設けられている。そして、ドレイン領域３２に接触するドレイン電極３６が負荷抵抗を介して電源に接続され、ソース領域３１に接触するソース電極３５が、定電流回路に接続される点は、前述の実施形態と同様である。さらに、チャネル領域の形状としては、例えばコの字状に形成し外周側の３辺に沿ってドレイン領域を配列しても良い。
【００３２】
また、上述した実施形態においては、右端及び左端に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ，１２ｈのドレイン電極１６ａ，１６ｈからの両信号の差動信号を、被検出磁界の強度に応じた出力としたが、例えば、右端あるいは左端の一方の端部に位置するｎ+ドレイン領域１２ａ（１２ｈ）から電圧信号を取り出し、これを所定の基準電圧と比較する比較回路を設け、比較回路から出力される２値化信号を被検出磁界の強度に応じた出力としても良い。このように、ｎ+ドレイン領域を複数個に分離すれば、配列の一端に位置するｎ+ドレイン領域の電流密度も充分に増加あるいは減少するので、両端に位置するｎ+ドレイン領域からの信号の差動を取らなくとも、被検出磁界の検出感度を向上できる。
【００３３】
さらに、ｎ+ドレイン領域が多数設けられる場合には、その右端あるいは左端に位置するｎ+ドレイン領域ではなくとも、その端部に近いｎ+ドレイン領域であれば、充分に電流密度は増加あるいは減少されている。このため、端部近傍に位置するｎ+ドレイン領域からの信号に基づいて、被検出磁界の強度に応じた信号を作成しても良い。
【００３４】
また、上述した実施形態においては、分離された各ｎ+ドレイン領域は、同じ形状に形成されていたが、ｎ+ドレイン領域を分離して形成する際に、各ｎ+ドレイン領域の幅やｎ+ドレイン領域間の間隔は異なっていても、同様の作用効果を得ることができる。
【００３５】
さらに、上述した実施形態では、ｎ+ソース領域１１は分離されていなかったが、ｎ+ソース領域１１に関しても、ｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈと同様に分離して設けても良い。
【００３６】
また、上述した実施形態では、ｎ+ドレイン領域１２〜１２ｈに共通の電圧を印加する例を示したが、それぞれのｎ+ドレイン領域１２ａ〜１２ｈに一定の電流を与え、各ドレイン領域１２ａ〜１２ｈに電圧値の差を発生させて、その異なる電圧値に基づいて、被検出磁界の大きさを検出することができる。
【００３７】
さらに、上述した実施形態では、ｎＭＯＳ型ＦＥＴ構造による半導体磁気センサについて示したが、ｐＭＯＳ型ＦＥＴ構造としても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態による半導体磁気センサ装置の構成を示す構成図である。
【図２】分離されたｎ+ドレイン領域のそれぞれの電流密度を示す図である。
【図３】変形例による半導体磁気センサ装置の構成を示す構成図である。
【図４】従来の半導体磁気センサ装置を示すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は回路部、（ｃ）はキャリアの流れ方を説明する説明図である。
【符号の説明】
１１  ｎ+ソース領域
１２ａ〜１２ｈ  ｎ+ドレイン領域
１３  ゲート電極
１４  チャネル領域
１５  ソース電極
１６ａ〜１６ｈ  ドレイン電極
２０ａ〜２０ｈ  負荷抵抗
２７  出力回路
【図１】
0004103423.tif 000002
【図２】
0004103423.tif 000003
【図３】
0004103423.tif 000004
【図４】
0004103423.tif 000005