JP2017083280A - 半導体装置及び磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑制することができる半導体装置及び磁気センサ装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、基板２と、基板２に形成され、自身に流れる電流Ｉによってバイアス磁場３０を生成する導体３と、導体３を覆う絶縁膜４と、絶縁膜４を介してバイアス磁場３０が印加され、検出対象７の接近に伴うバイアス磁場３０の変化を電気信号として出力するＭＲセンサ部５と、を備えて概略構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び磁気センサ装置に関する。

従来の技術として、基板と、硬質磁性膜層であるＣｏ−Ｐｔ薄膜によって基板に形成され、バイアス磁場を発生させる薄膜磁石と、バイアス磁場が印加される磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子の出力を処理する回路部とが同一チップ上に形成されている磁気センサが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この磁気センサは、磁気抵抗素子、出力処理回路及び薄膜磁石が同一チップ上に形成されるので小型である。

特開平５−２６４７０１号公報

しかし従来の磁気センサは、基板に形成される配線などの材料よりも高価なＰｔやＮｄなどの材料を用いて薄膜磁石を形成しなければならないので製造コストが増加する問題がある。

従って、本発明の目的は、製造コストを抑制することができる半導体装置及び磁気センサ装置を提供することにある。

本発明の一態様は、基板と、基板に形成され、自身に流れる電流によってバイアス磁場を生成する導体と、導体を覆う絶縁膜と、絶縁膜を介してバイアス磁場が印加され、検出対象の接近に伴うバイアス磁場の変化を電気信号として出力する磁気センサ部と、を備えた半導体装置を提供する。

本発明によれば、製造コストを抑制することができる。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す断面図であり、図１（ｂ）は、ＭＲセンサ部と導体の配置の一例を示す概略図である。 図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の導体が生成するバイアス磁場の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、変形例に係るホールセンサ部と導体の配置の一例を示す断面図であり、図２（ｃ）は、変形例に係る２つの導体が生成するバイアス磁場の一例を示す概略図であり、図２（ｄ）は、変形例に係るＭＲセンサ部と２つの導体の配置の一例を示す概略図である。 図３（ａ）は、第２の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成の一例を示す断面図であり、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、磁気センサ装置の変形例の一例を示す断面図である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る半導体装置は、基板と、基板に形成され、自身に流れる電流によってバイアス磁場を生成する導体と、導体を覆う絶縁膜と、絶縁膜を介してバイアス磁場が印加され、検出対象の接近に伴うバイアス磁場の変化を電気信号として出力する磁気センサ部と、を備えて概略構成されている。

導体に流れる電流によって形成されるバイアス磁場の強さＨは、アンペールの法則として知られているように、導体に流れる電流Ｉに比例すると共に導体からの距離ｒに反比例するが導体の材料に依存しない。半導体装置は、導体に電流を流すことによって磁気センサ部にバイアス磁場を印加することができるので、薄膜磁石を形成する場合と比べて、導体を形成するために高価な材料を使う必要がなく、製造コストを抑制することができる。

[第１の実施の形態]
（半導体装置１の概要）
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す断面図であり、図１（ｂ）は、ＭＲ（Magneto Resistive）センサ部と導体の配置の一例を示す概略図である。図２（ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の導体が生成するバイアス磁場の一例を示す概略図であり、図２（ｂ）は、変形例に係るホールセンサ部と導体の配置の一例を示す断面図であり、図２（ｃ）は、変形例に係る２つの導体が生成するバイアス磁場の一例を示す概略図であり、図２（ｄ）は、変形例に係るＭＲセンサ部と２つの導体の配置の一例を示す概略図である。上記の断面図では、バイアス磁場を図示するためハッチングを施していない図面としている。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。

半導体装置１は、例えば、図１（ａ）に示すように、検出対象７の接近によるバイアス磁場３０の変化を検出する。この検出対象７は、一例として、車両に搭載されたシートベルト装置のバックルに配置されたカウンター磁石である。検出対象７は、タングプレートが挿入されると、半導体装置１の方向に移動し、タングプレートがバックルから排出されると、半導体装置１から離れるように構成されている。この移動の方向は、一例として、図１（ａ）の紙面の奥側から半導体装置１の上方である。なお半導体装置１は、バックルに対する配置に限定されず、非接触スイッチなどに利用することができる。

半導体装置１は、図１（ａ）に示すように、基板２と、基板２に形成され、自身に流れる電流Ｉによってバイアス磁場３０を生成する導体３と、導体３を覆う絶縁膜４と、絶縁膜４を介してバイアス磁場３０が印加され、検出対象７の接近に伴うバイアス磁場３０の変化を電気信号として出力する磁気センサ部としてのＭＲセンサ部５と、を備えて概略構成されている。

半導体装置１がバックルに配置されている場合、一例として、タングプレートが挿入された後に機械式のスイッチがオンして導体３に電流が流れるものとする。

（基板２の構成）
基板２は、例えば、シリコン基板などの半導体基板である。この基板２上には、例えば、導体３及びＭＲセンサ部５の他にＭＲセンサ部５から出力された電気信号を増幅する増幅回路、増幅された電気信号に基づいてタングプレートの装着などを判定する制御回路などが形成されている。この制御回路は、導体３及びＭＲセンサ部５に電気的に接続されている。そして制御回路は、導体３に電流Ｉを供給し、またＭＲセンサ部５から出力される電気信号に基づいてタングプレートの装着を判定する。従って半導体装置１は、ＭＲセンサ部５、制御回路などが集積されたＩＣ（Integrated Circuit）チップである。この制御回路は、一例として、車両の車両制御部などと電気的に接続される外部端子と電気的に接続され、この車両制御部などと情報や信号の交換を行う。

（導体３の構成）
導体３は、例えば、Ｃｕ、Ａｌなどの導電性を有する金属材料を用いてスパッタリング法などの半導体プロセスにより形成されている。導体３は、例えば、図１（ｂ）に示すように、後述するＭＲセンサ部５の第１のＭＲ素子５１〜第４のＭＲ素子５４の感磁部５０ａとの角度が４５°となるように配置されている。つまりこの構成を用いることによって感磁部５０ａと導体３が形成するバイアス磁場３０との角度θは、図１（ｂ）に示すように、４５°となる。

導体３は、図２（ａ）に示すように、断面が矩形状となっている。従って導体３に流れる電流Ｉによって形成されるバイアス磁場３０は、図２（ａ）に示すように、導体３を囲んだ同心円状の磁場となる。電流Ｉは、図２（ａ）の紙面の奥に向かって流れているので、バイアス磁場３０が時計回りに回転する磁場となっている。

本実施の形態の導体３は、図２（ａ）に示すように、断面が矩形状の平角形状を有しているので、磁気センサの配置に適した領域として平行領域３１、平行領域３２、垂直領域３３及び垂直領域３４を有している。

平行領域３１及び平行領域３２は、図２（ａ）の紙面においてバイアス磁場３０の左右方向の成分が上下方向の成分より大きい領域である。平行領域３１が導体３の上側の領域であり、平行領域３２が導体３の下側の領域である。この領域では、感磁面に対して実質的に平行方向に印加されるバイアス磁場３０の変化を検出する磁気センサ部を配置するのに適している。

また垂直領域３３及び垂直領域３４は、図２（ａ）の紙面においてバイアス磁場３０の上下方向の成分が左右方向の成分より大きい領域である。垂直領域３３が導体３の左側面側の領域であり、垂直領域３４が導体３の右側面側の領域である。この領域では、感磁面に対して実質的に垂直方向に印加されるバイアス磁場３０の変化を検出する磁気センサ部を配置するのに適している。

本実施の形態の磁気センサ部は、ＭＲセンサ部５であるので、平行領域３１及び平行領域３２の少なくとも一方の領域に配置される。導体３が基板２上に配置されているので、ＭＲセンサ部５は、平行領域３１に配置される。つまり導体３は、基板２とＭＲセンサ部５の間に形成される。

また導体３は、バイアス磁場３０の左右方向の成分をよりＭＲ素子の感磁面５０に対して平行に近づけるため、円に近い磁場より楕円に近い磁場を形成するように横に細長い矩形状を有している。

なお変形例として磁気センサがホール素子からなるホールセンサ部５ａである場合、ホールセンサ部５ａが垂直領域３３及び垂直領域３４の少なくとも一方の領域に配置される。図２（ｂ）は、ホールセンサ部５ａが垂直領域３３に配置された変形例を示している。

図２（ｂ）に示す半導体装置１は、基板２と、基板２上に形成された導体３と、基板２上に形成されたホールセンサ部５ａと、導体３及びホールセンサ部５ａを覆う絶縁膜４ａと、を備えて概略構成されている。

ホールセンサ部５ａが感磁面に対して実質的に垂直方向に印加されるバイアス磁場３０の変化を検出するので、導体３がホールセンサ部５ａと同一層に形成される。導体３がホールセンサ部５ａと同一層に形成されるので、ホールセンサ部５ａを形成する過程で導体３を形成することが可能となる。さらに導体３がホールセンサ部５ａと制御回路などを電気的に接続する配線と同じ材料で形成される場合、当該配線を形成する過程で導体３を形成することが可能となる。

また変形例として導体３は、１つに限定されず、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、複数の導体で構成されても良い。図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、２つの導体３が平行に配置された場合、導体間の距離が適切で、かつ電流Ｉが同方向に流れると、導体間の磁場が互いに逆方向となって打ち消し合い、２つの導体３を囲むようなバイアス磁場３０が発生する。

（絶縁膜４の構成）
絶縁膜４は、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどを用いてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの半導体プロセスによって形成される。本実施の形態の絶縁膜４は、一例として、図１（ａ）に示すように、第１の絶縁膜４０及び第２の絶縁膜４１により構成されている。

第１の絶縁膜４０は、導体３を形成した後に形成された絶縁膜である。また第２の絶縁膜４１は、ＭＲセンサ部５を形成した後に形成された絶縁膜である。

（ＭＲセンサ部５の構成）
ＭＲセンサ部５は、図１（ｂ）に示すように、ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４を備えて概略構成されている。そしてＭＲセンサ部５は、ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４によってブリッジ回路が形成されている。

このＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４は、一例として、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏなどの強磁性体金属を用いてスパッタリング法などの半導体プロセスにより形成される。磁場が作用していないＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４の抵抗値は、等しい。

ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４は、例えば、導体３及び第１の絶縁膜４０が形成された後、導体３の上方に形成される。

ＭＲ素子５１の一方端部は、ＭＲ素子５２の一方端部と電気的に接続されている。このＭＲ素子５１の他方端部は、例えば、制御回路に電気的に接続され、基準電圧Ｖ_ＣＣが供給されている。またＭＲ素子５２の他方端部は、例えば、接地回路に電気的に接続されている。このＭＲ素子５１とＭＲ素子５２は、ハーフブリッジ回路を構成している。

ＭＲ素子５３の一方端部は、ＭＲ素子５４の一方端部と電気的に接続されている。このＭＲ素子５３の他方端部は、例えば、制御回路に電気的に接続され、基準電圧Ｖ_ＣＣが供給されている。またＭＲ素子５４の他方端部は、例えば、接地回路に電気的に接続されている。このＭＲ素子５３とＭＲ素子５４は、ハーフブリッジ回路を構成している。

ＭＲセンサ部５は、ＭＲ素子５１とＭＲ素子５２のハーフブリッジ回路の中点電位Ｖ_１と、ＭＲ素子５３とＭＲ素子５４のハーフブリッジ回路の中点電位Ｖ_２と、の差分電圧（＝Ｖ_１−Ｖ_２）を電気信号として出力する。

このＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４は、図１（ｂ）に示すように、感磁部５０ａが等間隔で平行に並び、その感磁部５０ａを電気的に接続する接続部５０ｂを有している。この感磁部５０ａは、バイアス磁場３０の向きに応じて磁気抵抗値が変化する部分である。また接続部５０ｂは、一例として、磁気抵抗値の変化が感磁部５０ａと比べて無視できる程度に小さい部分である。なお、接続部５０ｂは、例えば、磁気抵抗値が変化しない導電性部材を用いて形成されても良い。

ＭＲ素子５１は、図１（ｂ）に示すように、バイアス磁場３０に対して感磁部５０ａが４５°の角度となるように配置されている。ＭＲ素子５２は、ＭＲ素子５１を９０°回転させて、バイアス磁場３０に対して感磁部５０ａが４５°の角度となるように配置されている。ＭＲ素子５３及びＭＲ素子５４は、ＭＲ素子５１及びＭＲ素子５２を１８０°回転させて回転対称となるように配置されている。従ってＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４の感磁部５０ａは、バイアス磁場３０に対して４５°の角度を有している。

バイアス磁場３０のみがＭＲセンサ部５に作用している場合、感磁部５０ａとバイアス磁場３０との角度が４５°であるので、ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４の抵抗値が同値となり、その差分電圧がゼロとなる。

従ってタングプレートが装着されていない状態、つまり検出対象７がＭＲセンサ部５から十分離れている場合、ＭＲセンサ部５から出力される電気信号がゼロとなる。なおＭＲセンサ部５は、一例として、検出対象７がＭＲセンサ部５から十分離れている場合、ＭＲセンサ部５から出力される電気信号がゼロとなるように補正されている。

そしてタングプレートが装着された状態、つまり検出対象７がＭＲセンサ部５の上方に位置する場合、バイアス磁場３０の方向が変わるので、ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４の磁気抵抗が変化して電気信号がゼロではなくなり、接続されている制御回路がタングプレートの装着を判定する。

（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る半導体装置１は、製造コストを抑制することができる。具体的には、半導体装置１は、導体３に電流Ｉを流すことによってＭＲセンサ部５にバイアス磁場３０を印加することができるので、導体３の材料よりも高い材料を使用する薄膜磁石を形成する場合と比べて、導体３に安価な材料を用いて製造コストを抑制することができる。

半導体装置１は、導体３が増幅回路及び制御回路などに使用される配線と同じ材料で形成できるので、配線やＭＲ素子と異なる材料となる薄膜磁石を形成するものと比べて、材料が共通化されて製造コストを抑制することができる。また導体３は、材料が共通であれば配線を形成する過程で作成することができる。しかし薄膜磁石は、配線やＭＲ素子とは異なる材料から形成されるので別工程で形成しなければならない。従って半導体装置１は、工程数が減って製造コストが抑制される。

半導体装置１は、外部からバイアス磁場を印加するバイアス磁石が必要ないので、導体３よりも高価なバイアス磁石を使用する場合と比べて、製造コストが抑制される。また半導体装置１は、バイアス磁石が外側に必要ないので、小型化することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、磁気センサが封止された磁気センサ素子の外側に導体が位置する点で第１の実施の形態と異なっている。

図３（ａ）は、第２の実施の形態に係る磁気センサ装置の構成の一例を示す断面図であり、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、磁気センサ装置の変形例の一例を示す断面図である。なお以下に記載する実施の形態において、第１の実施の形態と同じ機能及び構成を有する部分は、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。

磁気センサ装置９は、図３（ａ）に示すように、バイアス磁場３０が印加され、検出対象７の接近に伴うバイアス磁場３０の変化を電気信号として出力する磁気センサ素子９０と、磁気センサ素子９０に印加するバイアス磁場３０を自身に流れる電流Ｉによって生成する導体３と、を備えて概略構成されている。

この磁気センサ装置９は、図３（ａ）に示すように、磁気センサ素子９０が感磁面９１に対して実質的に平行方向に印加されるバイアス磁場３０の変化を検出する場合、導体３が、検出対象７が接近する磁気センサ素子９０の面（表面９２）の反対の面（裏面９３）側に配置される。

この磁気センサ素子９０は、ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４を有し、このＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４によってブリッジ回路が形成されている。そしてＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４は、例えば、エポキシ樹脂などの封止剤によって封止されている。

なお磁気センサ素子９０は、ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４からなるベアチップでも良いし、ＭＲ素子５１〜ＭＲ素子５４と接続される増幅回路や制御回路を備えたＩＣチップであっても良い。

導体３は、例えば、磁気センサ素子９０の裏面９３に接着剤によって取り付けられている。なお変形例として磁気センサ装置９は、図３（ｂ）に示すように、磁気センサ素子９０に複数の導体が取り付けられた構成であっても良い。この場合、導体３は、図３（ｂ）に示すように、断面が円形状であっても良く、絶縁体で周囲が被覆された電線であっても良い。また導体３は、磁気センサ素子９０に取り付けられなくても良く、磁気センサ素子９０に接触するように、又は近傍に配置されても良い。

また導体３は、例えば、プリント配線基板の表面に形成されても良いし、プリント配線基板に配置されても良い。この場合、磁気センサ素子９０は、導体３上に配置されてプリント配線基板に取り付けられる。

また他の変形例として磁気センサ装置９は、図３（ｃ）に示すように、磁気センサ素子９０が感磁面９１に対して実質的に垂直方向に印加されるバイアス磁場３０の変化を検出する場合、導体３が磁気センサ素子９０の側面９４及び側面９５の少なくとも一方側に配置される。図３（ｂ）は、一例として、側面９４及び側面９５に導体３を配置した場合を示している。

この磁気センサ素子９０は、ホール素子を有し、このホール素子がエポキシ樹脂などの封止剤によって封止されている。

この磁気センサ素子９０の側面９４及び側面９５に配置された導体３は、ホール素子の感磁面９１を実質的に垂直方向に貫くバイアス磁場３０を生成する。

（第２の実施の形態の効果）
本実施の形態の磁気センサ装置９は、導体３によって磁気センサ素子９０にバイアス磁場３０を印加することができるので、バイアス磁石を用いてバイアス磁場を生成する場合と比べて、製造コストを抑制することができる。

磁気センサ装置９は、導体３を用いてバイアス磁場３０を生成するので、バイアス磁石を用いる場合と比べて、小型化することができる。

なお上述の実施の形態において平行領域３１や平行領域３２には、ＭＲセンサ部５を配置し、垂直領域３３や垂直領域３４には、ホールセンサ部５ａを配置したが、感磁面に平行になるように垂直領域３３や垂直領域３４にＭＲセンサ部５を配置しても良く、感磁面に垂直になるように平行領域３１や平行領域３２にホールセンサ部５ａを配置しても良い。

またＭＲセンサ部５は、４つのＭＲ素子によって構成されたがこれに限定されず、ブリッジ回路を形成する４つのＭＲ素子が隣接して複数配置されても良いし、円形の領域に扇形の８つのＭＲ素子によって２つのブリッジ回路が形成されるものであっても良い。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…半導体装置、２…基板、３…導体、４…絶縁膜、４ａ…絶縁膜、５…ＭＲセンサ部、５ａ…ホールセンサ部、７…検出対象、９…磁気センサ装置、３０…バイアス磁場、３１…平行領域、３２…平行領域、３３…垂直領域、３４…垂直領域、４０…第１の絶縁膜、４１…第２の絶縁膜、５０…感磁面、５０ａ…感磁部、５０ｂ…接続部、５１〜５４…ＭＲ素子、９０…磁気センサ素子、９１…感磁面、９２…表面、９３…裏面、９４…側面、９５…側面

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板に形成され、自身に流れる電流によってバイアス磁場を生成する導体と、
   前記導体を覆う絶縁膜と、
   前記絶縁膜を介して前記バイアス磁場が印加され、検出対象の接近に伴う前記バイアス磁場の変化を電気信号として出力する磁気センサ部と、
   を備えた半導体装置。
2. 前記磁気センサ部が感磁面に対して実質的に平行方向に印加される前記バイアス磁場の変化を検出する場合、
   前記導体が前記基板と前記磁気センサ部の間に形成される、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記磁気センサ部が感磁面に対して実質的に垂直方向に印加される前記バイアス磁場の変化を検出する場合、
   前記導体が前記磁気センサ部と同一層に形成される、
   請求項１に記載の半導体装置。
4. バイアス磁場が印加され、検出対象の接近に伴う前記バイアス磁場の変化を電気信号として出力する磁気センサ素子と、
   前記磁気センサ素子に印加する前記バイアス磁場を自身に流れる電流によって生成する導体と、
   を備えた磁気センサ装置。
5. 前記磁気センサ素子が感磁面に対して実質的に平行方向に印加される前記バイアス磁場の変化を検出する場合、
   前記導体が前記検出対象が接近する前記磁気センサ素子の面の反対の面側に配置される、
   請求項４に記載の磁気センサ装置。
6. 前記磁気センサ素子が感磁面に対して実質的に垂直方向に印加される前記バイアス磁場の変化を検出する場合、
   前記導体が前記磁気センサ素子の側面側に配置される、
   請求項４に記載の磁気センサ装置。

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