JP2004257995A - ３次元磁気検出装置および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するＳ／Ｎ比を向上させる。
【解決手段】Ｘ１〜Ｘ４は水平磁場におけるＸ方向の磁場強度を検出する磁気検出素子、Ｙ１〜Ｙ４はＹ方向の磁場強度を検出する磁気検出素子である。磁気検出素子Ｚ１〜Ｚ８も磁気収束板ＦＣの端部領域に配置されている。垂直磁場成分に関しては、磁場は同方向から各磁気検出素子Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉに入射するため、全ての磁気検出素子からの出力を加算することにより、垂直磁場強度に対応した出力が得られる。ここで、（全ての磁気検出素子の合計数）≧｛（前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率）×（１対当たりの磁気検出素子数）｝−１とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元磁気検出装置、および、この３次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【０００２】
さらに詳述すると本発明は、地磁気などを検出するのに好適な、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する３次元磁気検出装置、ならびに、この３次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来から、磁気センサとしては、ホール効果を利用したホール素子、磁気抵抗素子ならびにこれらの素子とＩＣを組み合わせたホールＩＣ、フラックスゲートなどが知られている。
【０００４】
また、このような磁気センサを応用して、３次元的に地磁気を検出する方法、並びにその信号処理方法が特許文献１（特開２００２−１９６０５５号公報）に開示されている。この特許文献１は、「３軸磁気センサ、全方位磁気センサおよびそれらを用いた方位測定方法」を開示するものであって、基板を本体として形成され、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの２軸成分を検出するフラックスゲート型磁気センサと、磁気ベクトルの基板とは垂直な方向の成分を検出するホール素子と、基板の傾斜角を検出する傾斜センサと、ＣＰＵとを含み、ハイブリッドＩＣとして一体に構成されたハイブリッド磁気センサが記載されている。
【０００５】
さらに、特許文献２（特開２００２−７１３８１号公報）には、磁場の方向を３次元で決定することができる磁場方向検出センサとして、平らな形状を有する１個の磁場コンセントレータと、少なくとも第１のホール効果素子および第２のホール効果素子、又は、少なくともホール効果素子の第１のグループおよび第２のグループとを備え、ホール効果素子が磁場コンセントレータの端部領域に配置されていることが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１９６０５５号公報（第１頁、図３）
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−７１３８１号公報（第１頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特許文献１では、フラックスゲートセンサとホール素子を別々に基板上に配置したいわゆるハイブリッド構成によって３次元の磁場を検出する発明が開示されている。しかしながら、この特許文献１に開示されている発明では、センサと信号処理回路がハイブリッド構成によって配置されることから、実装面積が大きくなることは避けられない問題であった。特に近年に至り、３次元の地磁気センサを携帯端末に搭載し、携帯端末の方位に地図の方位を合わせて表示する位置情報システムが実用化されているが、携帯端末のように、実装面積が非常に限られているようなシステムでは、センサがより小型であることが必要とされている。
【０００９】
また、特許文献２では、磁気収束板の端面に複数のホール素子を配置し、水平方向の磁場の角度を検出するとともに、さらにホール素子を配置して垂直方向の磁場を同時に検出する３次元の磁気センサが開示されている。この特許文献２によれば、水平方向の磁場に関しては、磁気収束板が磁束密度を増幅するため、磁場感度が向上してＳ／Ｎ比（信号／雑音）比も向上する。特に、地磁気のように非常に微小な磁場（３０μＴ）を検出するには、このＳ／Ｎ比の向上は重要な要素となる。しかしながら、その厚みに対して、十分に長さが大きい場合、磁気収束板は垂直方向の磁場に対してはほとんど磁束密度を増幅する効果がないので、垂直方向の磁気検出感度は向上せず、Ｓ／Ｎ比は水平方向と比較して悪くなることは避けられない問題であった。すなわち、磁気検出感度が方向によって異なるため、必ずキャリブレーションが必要となるのに加え、垂直方向のＳ／Ｎ比が向上させることができないため測定の分解能が低下してしまうという問題が生じている。
【００１０】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するＳ／Ｎ比を向上させた３次元磁気検出装置および半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する３次元磁気検出装置であって、前記磁気収束板の端部領域に近接して少なくとも２対の磁気検出素子を配置し、それぞれの磁気検出素子対に含まれる磁気検出素子から順次もしくは同時に磁気検出信号を得るに際して、
全ての磁気検出素子の合計数≧｛（前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率）×（１対当たりの磁気検出素子数）｝−１
なる条件を満たすよう構成したものである。
【００１２】
請求項２に係る本発明は、請求項１に記載の３次元磁気検出装置において、（１対の磁気検出素子に含まれる磁気検出素子個数）×（前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率）の値に最も近い整数個、もしくは該整数個以上の磁気検出素子を選択し、選択した磁気検出素子を用いて前記基板に垂直方向の磁場強度を検出する。
【００１３】
請求項３に係る本発明は、請求項１に記載の３次元磁気検出装置において、前記少なくとも２対の磁気検出素子を用いることにより前記基板に水平なＸ方向成分およびＹ方向成分を検出し、且つ、前記少なくとも２対の磁気検出素子のほかに設けた磁気検出素子を設けることにより前記基板に垂直なＺ方向成分を検出する。
【００１４】
請求項４に係る本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【００１５】
請求項５に係る本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【００１６】
請求項６に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する３次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な２方向の成分を検出する少なくとも２対の磁気検出素子を第１の磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも２対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子を配置すると共に、該磁気検出素子の上方近傍に第２の磁気収束板を設けたものである。
【００１７】
請求項７に係る本発明は、請求項６に記載の３次元磁気検出装置において、（前記第２の磁気収束板が有する長さ）／（前記第２の磁気収束板が有する厚み）により定義されるアスペクト比が３以下である。
【００１８】
請求項８に係る本発明は、請求項６または７に記載の３次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【００１９】
請求項９に係る本発明は、請求項６または７に記載の３次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【００２０】
請求項１０に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する３次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な２方向の成分を検出する少なくとも２対の磁気検出素子を磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも２対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出するための、化合物半導体で構成した磁気検出素子を配置する。
【００２１】
請求項１１に係る本発明は、請求項１０に記載の３次元磁気検出装置において、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子以外の磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【００２２】
請求項１２に係る本発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、さらに加えて、前記磁気検出素子から順次もしくは同時に出力された磁気検出信号を入力し、予め定めた信号処理もしくはデータ処理を行う信号処理回路を備える。
【００２３】
請求項１３に係る本発明は、請求項１２に記載の３次元磁気検出装置において、前記信号処理回路は、前記磁気検出素子が形成されている基板と同一の基板上に形成したものである。
【００２４】
請求項１４に係る本発明は、請求項１〜１３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置を、半導体基板上に形成した半導体装置である。
【００２５】
請求項１５に係る本発明は、請求項５に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【００２６】
請求項１６に係る本発明は、請求項９に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【００２７】
請求項１７に係る本発明は、請求項１０に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【００２８】
請求項１８に係る本発明は、請求項１２に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記信号処理回路を前記磁気検出素子とは別個の基板上に形成したものである。
【００２９】
請求項１９に係る本発明は、請求項１〜１３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【００３０】
請求項２０に係る本発明は、請求項１４〜１８のいずれかに記載の半導体装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、各実施の形態を詳細に説明する。
【００３２】
実施の形態１
図１は、本発明を適用した３次元磁気センサの一例を示す平面図である。図２は、図１に示した３次元磁気センサの断面構成図である。
【００３３】
これら図１および図２に示すように、半導体基板（図示せず）上に形成された磁気検出素子（ホール素子）Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４，Ｚ１〜Ｚ８が、円形の磁気収束板ＦＣの端部領域に配置されている。
【００３４】
ここで、Ｘ１〜Ｘ４は水平磁場におけるＸ方向の磁場を検出する磁気検出素子（ホール素子）を、Ｙ１〜Ｙ４はＹ方向の磁場を検出する磁気検出素子（ホール素子）を示している。これら磁気検出素子Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４とは別に、磁気検出素子Ｚ１〜Ｚ８が同様に磁気収束板ＦＣの端部領域に配置されている。このような構成の磁気センサでは、水平磁場の角度検出を行う際、図２に示すように、収束されて垂直に方向に変換された磁場の方向は互いに逆方向である。従って、磁気検出素子Ｘ１，Ｘ２の出力（＝Ｘ１＋Ｘ２）から磁気検出素子Ｘ３，Ｘ４の出力（＝Ｘ３＋Ｘ４）を減算すれば（すなわち、（Ｘ１＋Ｘ２）−（Ｘ３＋Ｘ４）を求めることにより）、水平磁場の進入角度に対応した出力が得られる。具体的には、磁場の進入角度の余弦（ｃｏｓ）に比例した信号が得られる。Ｙ方向に対しても同様に、磁場の進入角度の正弦（ｓｉｎ）に比例した信号が得られる。
【００３５】
一方、垂直磁場成分に関しては、磁場は同方向から各磁気検出素子に入射するため、全ての磁気検出素子出力を加算すれば、垂直磁場強度に対応した出力が得られる。これらの出力は、後段の演算増幅器等を用いて増幅し、角度情報に変換するなどの信号処理がなされる。
【００３６】
このような磁気センサを用いて地磁気レベルの微小磁場を検出することが可能であることは実験的に確かめられており、その実測結果を図３に示す。
【００３７】
図４は、図１に示した磁気検出素子（ホール素子）Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４，Ｚ１〜Ｚ８からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路２０に入力され、出力選択信号▲１▼，▲２▼，▲３▼に応答して、それぞれのセンサ出力Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４，Ｚ１〜Ｚ８が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路３０では、出力選択信号▲１▼，▲２▼，▲３▼に応じて、Ｘ方向成分を得るための演算、Ｙ方向成分を得るための演算、Ｚ方向成分を得るための演算を行う。
【００３８】
すなわち、出力選択信号▲１▼に応じてＸ方向成分を得るためには、
｛（Ｘ１＋Ｘ２）−（Ｘ３＋Ｘ４）｝・Ａｍ
なる演算を行う。ここで、Ａｍは磁気収束板ＦＣの磁気増幅率である。
【００３９】
同様に、出力選択信号▲２▼に応じてＹ方向成分を得るためには、
｛（Ｙ１＋Ｙ２）−（Ｙ３＋Ｙ４）｝・Ａｍ
なる演算を行う。
【００４０】
また、出力選択信号▲３▼に応じてＺ方向成分を得るためには、
（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＋Ｘ４）＋（Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４）＋（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＋Ｚ４＋Ｚ５＋Ｚ６＋Ｚ７＋Ｚ８）
なる演算を行う。
【００４１】
その後、演算回路３０から出力されたＸ方向成分信号，Ｙ方向成分信号，Ｚ方向成分信号は出力切換器４０を介して外部に出力される。出力切換器４０の後段には、例えばＡ／Ｄコンバータを介してマイクロプロセッサ，その他の制御回路などを接続することが可能である。
【００４２】
再び図１に戻り、説明を行う。いま、磁気収束板ＦＣの磁気増幅率Ａｍが４であると仮定する。また、磁気検出素子（ホール素子）１個当たりの磁気感度をＫ、水平磁場強度をＢｈとすると、Ｘ方向の磁場から得られるセンサ出力は、４×（４Ｋ）×Ｂｈ×ｃｏｓ α＝１６ＢｈＫｃｏｓ αとなる（α：磁場の進入角度）。同様に、Ｙ方向の磁場からは、１６ＢｈＫｓｉｎ αなる出力が得られる。
【００４３】
ここで、垂直な磁場成分を、磁気収束板ＦＣの端部領域近傍に配置された合計１６個の素子出力の重ね合わせでとると、垂直（＝Ｚ）方向のセンサ出力は、（１６Ｋ）×Ｂｖ（Ｂｖ：垂直磁場強度）となる。従って、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の検出感度は共に１６Ｋとなり、各Ｘ，Ｙ，Ｚ方向とも検出感度がそろうことになる。
【００４４】
つぎに、Ｓ／Ｎ比についてみると、ＸおよびＹ方向には磁気収束板ＦＣにより磁気増幅率が４であるため、Ｓ／Ｎ比は４倍に向上する。一方、Ｚ方向には、このような磁気増幅効果はないが、信号検出に用いられた素子数はＸ，Ｙ方向と比較して４倍多いため（すなわち、１６個）、ノイズレベルは１／√４＝１／２となり、Ｓ／Ｎは２倍向することになる。
【００４５】
なお、上述した例では、磁気収束板ＦＣの磁気増幅率が“４”という整数の場合を想定したが、例えば磁気収束板ＦＣの増幅率が４．１など少数を含むとすると、Ｘ方向についての検出出力は１６．４ＢｈＫｃｏｓ α、Ｙ方向についての検出出力は１６．４ＢｈＫｓｉｎ αとなる。
【００４６】
ここで、Ｚ方向の磁場強度を検出するための素子数として、
全ての磁気検出素子の合計数≧｛（磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率）×（１対当たりの磁気検出素子数）｝−１
という不等式を満たす個数だけ素子を配置することを考える。いま、磁気収束板ＦＣの増幅率が４．１であると仮定すると、各対に含まれる磁気検出素子の数は４個であるから、
配置すべき素子の合計数≧４．１×４−１＝１５．４
となり、最低１６個の素子を配置することになる。磁気検出素子を、この例のように１６個配置した場合、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の増幅率のファクタ（検出感度）は、１６．４：１６．４：１６＝１．０２５：１．０２５：１となり、ほぼそろうことが判る。また、Ｓ／Ｎ比についてみても、Ｚ方向のＳ／Ｎは先の例と同様に、２倍向上する。
【００４７】
このように、Ｚ方向の磁場を検出する磁気検出素子数を、磁気収束板ＦＣの磁気増幅率と相関させて選定することによって、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の検出感度をそろえつつ、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能である。
【００４８】
なお、これまでは、円形の磁気収束板を用いた例を説明したが、磁気収束板の形状としては、図５（Ａ）に示すように十字型でも同様な効果が得られる。ただし、この場合には磁気収束効果が得られる位置に磁気検出素子を配置する必要がある。このように、磁気収束板の形状に依存せずに、本実施の形態による３次元磁気センサを構成することが可能である。また、図５（Ｂ）に示すように、Ｚ方向の磁場を検出する素子については、磁気収束板の端部領域に配置されている必要はなく、収束板の中側に配置されても同様の効果が得られる。
【００４９】
さらに、
全ての磁気検出素子の合計数≧｛（磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率）×（１対当たりの磁気検出素子数）｝−１
という不等式を満たしている限り、Ｚ方向の磁場を検出する素子については、独立の磁気検出素子として別個に設ける必要がなく、Ｘおよび方向の磁場を検出する磁気検出素子を使用することが可能である。
【００５０】
実施の形態２
図６は、他の実施の形態による３次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、円形の磁気収束板ＦＣ１の端部領域に、半導体基板上に形成された磁気検出素子（ホール素子）Ｘ１ａ，Ｘ１ｂ，Ｘ２ａ，Ｘ２ｂ，Ｙ１ａ，Ｙ１ｂ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂが配置されている。ここで、磁気検出素子Ｘ１ａ，Ｘ１ｂ，Ｘ２ａ，Ｘ２ｂは水平磁場におけるＸ方向の磁場を検出し、磁気検出素子Ｙ１ａ，Ｙ１ｂ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂはＹ方向の磁場を検出する。本実施の形態では、これらの磁気検出素子とは別個に、Ｚ方向の磁場を検出する磁気検出素子Ｚ１〜Ｚ４を設け、それら各素子の上方にローカルに第２の磁気収束板ＦＣ２を貼り付けてある。
【００５１】
そして、第２の磁気収束板ＦＣ２のアスペクト比（＝長さ／厚み）を適切に選択することによって、Ｚ方向に磁気収束効果をもたせることが可能になる。
【００５２】
図７は、図６に示した磁気検出素子（ホール素子）Ｘ１ａ，Ｘ１ｂ，Ｘ２ａ，Ｘ２ｂ，Ｙ１ａ，Ｙ１ｂ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂ，Ｚ１〜Ｚ４からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路２０’に入力され、出力選択信号▲１▼，▲２▼，▲３▼に応答して、３種類のセンサ出力Ｘ１ａ，Ｘ１ｂ，Ｘ２ａ，Ｘ２ｂ、センサ出力Ｙ１ａ，Ｙ１ｂ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂ、センサ出力Ｚ１〜Ｚ４が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路３０’では、出力選択信号▲１▼，▲２▼，▲３▼に応じて、Ｘ方向成分を得るための演算、Ｙ方向成分を得るための演算、Ｚ方向成分を得るための演算を行う。
【００５３】
すなわち、出力選択信号▲１▼に応じてＸ方向成分を得るためには、
｛（Ｘ１ａ＋Ｘ１ｂ）−（Ｘ２ａ＋Ｘ２ｂ）｝・Ａｍ１
なる演算を行う。ここで、Ａｍ１は、磁気収束板ＦＣ１における水平方向の磁気増幅率である。
【００５４】
同様に、出力選択信号▲２▼に応じてＹ方向成分を得るためには、
｛（Ｙ１ａ＋Ｙ１ｂ）−（Ｙ２ａ＋Ｙ２ｂ）｝・Ａｍ１
なる演算を行う。上記の通り、Ａｍ１は、磁気収束板ＦＣ１における水平方向の磁気増幅率である。
【００５５】
また、出力選択信号▲３▼に応じてＺ方向成分を得るためには、
（Ｘ１ａ＋Ｘ１ｂ＋Ｘ２ａ＋Ｘ２ｂ）＋（Ｙ１ａ＋Ｙ１ｂ＋Ｙ２ａ＋Ｙ２ｂ）＋｛（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＋Ｚ４）｝・Ａｍ２
なる演算を行う。ここで、Ａｍ２は、第２の磁気収束板ＦＣ２における垂直方向の磁気増幅率である。
【００５６】
図８には、磁気シミュレーションによる解析結果を示している。本シミュレーションで想定した磁気収束板は、透磁率１４００の軟磁性体であり、厚みは約２３ミクロンである。解析方法は積分要素法である。このシミュレーション結果から、第２の磁気収束板ＦＣ２の長さ／厚みからなるアスペクト比が小さいほど、Ｚ方向の磁気増幅率が大きくなることが示されている。本図から明らかなように、第２の磁気収束板ＦＣ２の長さ／厚みから成るアスペクト比としては、３以下が望ましい。
【００５７】
このように、ＸおよびＹ方向と同様にＺ方向にも磁気増幅効果を持たせることによって、Ｚ方向のＳ／Ｎを向上させることが可能になり、３次元磁気センサにおける角度検出分解能の向上につながる。
【００５８】
なお、第２の磁気収束板ＦＣ２の厚みを向上させるために、例えば磁気収束板をスタックに積み上げる方法をとることも可能である。
【００５９】
実施の形態３
図９は、第３の実施の形態による３次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、半導体基板上に形成された磁気検出素子（ホール素子）Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２が、円形の磁気収束板ＦＣの端部領域に配置されている。ここで、磁気検出素子Ｘ１，Ｘ２は水平磁場におけるＸ方向の磁場を検出し、磁気検出素子Ｙ１，Ｙ２はＹ方向の磁場を検出する。これらの磁気検出素子Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２とは別個に、Ｚ方向の磁場を検出する磁気検出素子ＺＺ１〜ＺＺ４を配置し、それらの磁気検出素子を化合物半導体で形成する。
【００６０】
【実施例】
図１０（Ａ）は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。本図に示すように、集積回路部分４が形成されている第１基板２の上方向に、化合物半導体素子８を形成した第２基板６が配置され、さらに、化合物半導体素子８および第２基板６上に接着層１０，１２を介して、磁気収束板１４，１６が形成されている。なお、化合物半導体素子８と集積回路部分４とは、所定の電極がワイヤーボンディング等で電気的に接続されている。
【００６１】
図１０（Ｂ）は、他の実施例によるハイブリッド磁気センサを示す断面図である。本図に示すように、化合物半導体素子８と接着層１０を介して積層された磁気収束板１４を形成した第２基板６が、集積回路部分４に対向するように配置され、かつ化合物半導体素子８の電極と集積回路部分４の電極が、導電性バンプ２０を介して接続されている。
【００６２】
集積回路部分４を形成させる第１基板２としては、Ｓｉ基板，サファイヤ基板，ＧａＡｓ基板等を用いるのが好ましい。
【００６３】
（実施例１）
ＭＢＥ法により、ＧａＡｓ基板上にノンドープＩｎＳｂを１μｍ薄膜成長した。ＩｎＳｂ薄膜の膜特性は、電子移動度が４００００ｃｍ^２／Ｖｓであった。次に、該ＩｎＳｂ薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【００６４】
一方、Ｓｉ基板にＣＭＯＳプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、保護膜上に上記センサチップをダイボンディングして、さらにセンサチップの電極と集積回路の電極をワイヤーボンディングにより接続した。
【００６５】
上記センサチップを接続した集積回路基板を１つのパッケージにプラスチックモールドし、図１０（Ａ）に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【００６６】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、２Ｖ／Ｇａｕｓｓという非常に高い感度が得られた。また、Ｓ／Ｎ比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して１０倍向上し、方位角の測定分解能は６度から０．６度に向上した。
【００６７】
（実施例２）
Ｓｉ基板上に１ｎｍのＳｉＯ_２を化学処理により形成した後、該基板をＭＢＥチャンバーに入れ、基板温度は室温で、Ａｌを１ｎｍ成長させた。その後、基板温度を８５０℃まで昇温して、３０分間アニールを行い、γ−Ａｌ_２Ｏ_３を約１ｎｍ形成させた。さらにその上に、ドープＩｎＳｂを１μｍ薄膜成長した。ＩｎＳｂ薄膜の膜特性は、電子移動度が３５０００ｃｍ^２／Ｖｓであった。次に、該ＩｎＳｂ薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【００６８】
一方、Ｓｉ基板にＣＭＯＳプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、窓開け部分に電導性のバンプを形成させ、その上に上記センサチップをフリップチップで接続し、プラスチックモールドを行い、１０（Ｂ）に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【００６９】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、２Ｖ／Ｇａｕｓｓという非常に高い感度が得られた。また、Ｓ／Ｎ比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して８倍向上し、方位角の測定分解能は６度から０．８度に向上した。
【００７０】
本発明を適用した磁気収束板としては、軟磁性体が好ましく用いられる。磁気センサ素子としては、ホール素子，磁気抵抗素子が好適である。磁気センサを形成する基板としては、Ｓｉ，サファイヤ，ＧａＡｓ基板等が好ましい。センサ部は、ＣＭＯＳシリコンプロセスを用いたＳｉホール素子、あるいは化合物半導体を用いることができる。センサ部を構成する化合物半導体素子の材料としては、きわめて高い電子移動度を有するＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓなどが最も好ましく用いられる。また、Ｓｉより大きな電子移動度を有するＧａＳｂやＩｎＰなども好ましく用いられる。また、それらの三元系混晶、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ，ＩｎＧａＰ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＳｂ，ＩｎＡｓＰなども好ましい。さらにＩｎＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＰなどの四元系混晶も好ましく用いられる。また、良好な温度特性が要求される場合には、バンドギャップエネルギーが大きなＧａＮ，ＩｎＮ，ＩｎＧａＮなどもＳｉより高い電子飽和速度を有しており、好ましく用いられる。
【００７１】
さらに、温度特性を改善するために、化合物半導体にドナー不純物をドーピングすることが好ましく行われる。ドナー不純物として、Ｓｉ，Ｔｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｇｅなどが好ましく用いられる。
【００７２】
また、より高い電子移動度を得るために、前記化合物半導体のヘテロ構造、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ，ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮなどを用いることも好ましい。これらのヘテロ構造は、シングルへテロ構造あるいはダブルへテロ構造のどちらを用いても良い。また、これらのヘテロ構造が繰り返し積層された超格子構造が形成されていてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するＳ／Ｎ比を向上させることができる。換言すると、本発明によれば、磁気収束板を用いることによる磁気検出感度の方向依存性を解消して、キャリブレーションを不要にすると同時に、垂直方向の磁場に対するＳ／Ｎ比を向上させ、より高精度かつ小型安価な３次元磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による３次元磁気センサを示す平面図である。
【図２】図１に示した３次元磁気センサの断面構成図である。
【図３】本実施の形態による磁気センサを用いたシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図１に示した磁気検出素子Ｘ１〜Ｘ４，Ｙ１〜Ｙ４，Ｚ１〜Ｚ８からの検出信号を処理するための回路図である。
【図５】異なった形状の磁気収束板および異なった位置に配置した磁気検出素子を例示した図である。
【図６】第２の実施の形態による３次元磁気センサを示す平面図である。
【図７】図６に示した磁気検出素子Ｘ１ａ，Ｘ１ｂ，Ｘ２ａ，Ｘ２ｂ，Ｙ１ａ，Ｙ１ｂ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂ，Ｚ１〜Ｚ４からの検出信号を処理するための回路図である。
【図８】磁気シミュレーションによる解析結果を示す図である。
【図９】第３の実施の形態による３次元磁気センサを示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
Ｘ，Ｙ，Ｚ 磁気検出素子（ホール素子）
ＦＣ 磁気収束板

Claims (20)

1. 磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する３次元磁気検出装置であって、
   前記磁気収束板の端部領域に近接して少なくとも２対の磁気検出素子を配置し、それぞれの磁気検出素子対に含まれる磁気検出素子から順次もしくは同時に磁気検出信号を得るに際して、
   全ての磁気検出素子の合計数≧｛（前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率）×（１対当たりの磁気検出素子数）｝−１
   なる条件を満たすことを特徴とする３次元磁気検出装置。
2. 請求項１に記載の３次元磁気検出装置において、
   （１対の磁気検出素子に含まれる磁気検出素子個数）×（前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率）の値に最も近い整数個、もしくは該整数個以上の磁気検出素子を選択し、選択した磁気検出素子を用いて前記基板に垂直方向の磁場強度を検出することを特徴とする３次元磁気検出装置。
3. 請求項１に記載の３次元磁気検出装置において、
   前記少なくとも２対の磁気検出素子を用いることにより前記基板に水平なＸ方向成分およびＹ方向成分を検出し、且つ、前記少なくとも２対の磁気検出素子のほかに設けた磁気検出素子を設けることにより前記基板に垂直なＺ方向成分を検出することを特徴とする３次元磁気検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、
   前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする３次元磁気検出装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、
   前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成することを特徴とする３次元磁気検出装置。
6. 基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する３次元磁気検出装置であって、
   前記基板に水平な２方向の成分を検出する少なくとも２対の磁気検出素子を第１の磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、
   前記少なくとも２対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子を配置すると共に、該磁気検出素子の上方近傍に第２の磁気収束板を設けたことを特徴とする３次元磁気検出装置。
7. 請求項６に記載の３次元磁気検出装置において、
   （前記第２の磁気収束板が有する長さ）／（前記第２の磁気収束板が有する厚み）により定義されるアスペクト比が３以下であることを特徴とする３次元磁気検出装置。
8. 請求項６または７に記載の３次元磁気検出装置において、
   前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする３次元磁気検出装置。
9. 請求項６または７に記載の３次元磁気検出装置において、
   前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成することを特徴とする３次元磁気検出装置。
10. 基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する３次元磁気検出装置であって、
    前記基板に水平な２方向の成分を検出する少なくとも２対の磁気検出素子を磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、
    前記少なくとも２対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出するための、化合物半導体で構成した磁気検出素子を配置することを特徴とする３次元磁気検出装置。
11. 請求項１０に記載の３次元磁気検出装置において、
    前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子以外の磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする３次元磁気検出装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、さらに加えて、
    前記磁気検出素子から順次もしくは同時に出力された磁気検出信号を入力し、予め定めた信号処理もしくはデータ処理を行う信号処理回路を備えたことを特徴とする３次元磁気検出装置。
13. 請求項１２に記載の３次元磁気検出装置において、
    前記信号処理回路を、前記磁気検出素子が形成されている基板と同一の基板上に形成したことを特徴とする３次元磁気検出装置。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置を、半導体基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
15. 請求項５に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
16. 請求項９に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
17. 請求項１０に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
18. 請求項１２に記載の３次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記信号処理回路を前記磁気検出素子とは別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
19. 請求項１〜１３のいずれかに記載の３次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出することを特徴とする３次元磁気検出装置。
20. 請求項１４〜１８のいずれかに記載の半導体装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出することを特徴とする半導体装置。

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