JP2016152271A - 縦型ホール素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ、安定した高感度を持つ縦型ホール素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体領域を形成しようとする領域に不純物を複数回に渡って注入する工程と、複数回の注入をされた不純物を拡散する熱拡散工程と、からなる半導体領域を形成する工程を有する。磁気検出部の半導体領域を、深さ方向に不純物注入を複数回行ってから熱拡散することで、深さ方向の濃度変化を抑制し、一定の濃度とし、縦型ホール素子の検出感度を安定させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ホール効果を利用して半導体チップ面に水平な磁界成分を検出する縦型ホール素子の製造方法に関する。

ホール素子の磁気検出原理について説明する。物質中に流れる電流に対して垂直な磁界が印加されるとその電流と磁界の双方に対して垂直な方向に電界(ホール電圧)が生じる。このホール電圧の大きさから磁界の強度を求めるのがホール素子による磁気検出の原理である。

半導体チップ面に水平な磁界成分を検出する縦型ホール素子の場合、チップ面に対して垂直に電流が流れる必要がある。そのために、磁気検出部の拡散層に深さが必要となるので、エピタキシャル基板が縦型ホール素子の作成に用いられることが多い。
シリコン基板上の縦型ホール素子として、磁気検出部の拡散層に濃度変化を持つ縦型ホール素子がある。（例えば、特許文献１参照）

特開２００５−３３３１０３号公報

磁気検出部の拡散層が不純物の濃度勾配を持つ場合、その濃度勾配は製造による誤差によりばらつきが変化し、ホール素子感度もそれに伴い変化するため高感度ホール素子の作成は難しい。製造における感度安定化のためにはエピタキシャル基板を用いる方法もあるが、ホール素子を利用したＩＣの製造工程が増えてしまい、その結果、製造コストが増加してしまう。
そこで、本発明は縦型ホール素子において、製造コストを抑えつつ、安定した感度を持つ高感度なホール素子を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明は以下のような手段を用いた。
すなわち、半導体基板内に所定の導電型からなる半導体領域が形成されてなり、前記半導体領域の表面に電流供給対及び電圧出力対を有し、同基板の表面に垂直な成分を含む電流が前記半導体領域内の磁気検出部に供給された状態で、同基板の表面に平行な磁界成分が前記磁気検出部に印加されるとき、その磁界成分に対応するホール電圧信号を出力する縦型ホール素子の製造方法において、前記半導体領域は、深さの異なる複数の不純物注入する工程と熱拡散工程とからなり、前記複数の不純物注入する工程が第１の注入深さと第１のドーズである第１の不純物注入工程と、前記第１の注入深さより深い第２の注入深さで前記第１のドーズ量より少ない第２のドーズ量で不純物注入する第２の不純物注入工程と、からなることを特徴とする縦型ホール素子の製造方法を用いた。

上記手段を用いることにより、拡散層の深さ方向の濃度変化が抑制されるため、安定したホール素子の感度を得ることができる。また、エピタキシャル基板を用いる場合に比べて、製造工程を削減することができるので、製造コストを削減することができる。

縦型ホール素子の平面図および側面図を示す。 本発明により不純物注入を二回行った磁気検出部の濃度分布を示す図である。 従来のホール素子の磁気検出部の不純物濃度分布を示す図である。

この発明に関わる縦型ホール素子についてその実施例を示す。
図１に縦型ホール素子の概略構造について説明する。図１（ａ）はこのホール素子の平面構造を模式的に示した平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断面Ａ−Ａに沿った縦方向の断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の切断面Ｂ−Ｂに沿った横方向の断面図を示している。

このホール素子は、例えばＰ型のシリコンからなる半導体層１と、基板表面に、例えばＮ型の導電型不純物が導入されて拡散層として形成されたＮ型の半導体領域３とを有して構成されている。さらに上記半導体層３に他の素子と素子分離するための、例えばＰ型からなる拡散層２が形成されている。そして、半導体領域３の表面の拡散層２によって囲まれる領域には、不純物濃度（Ｎ型）が選択的に高められたコンタクト領域４ａ〜４ｅが形成されている。Ｎ型の半導体領域３はＮウェル（Ｎ−ｗｅｌｌ）と呼ばれることもある。

そして、これらのコンタクト領域４ａ〜４ｅはそこに配設される各電極（配線）を介して、それぞれ端子Ｓ及びＧ１及びＧ２及びＤ１及びＤ２と電気的に接続される。なお、このホール素子において上記コンタクト領域４ａおよび４ｃはそれぞれコンタクト領域４ｂと対をなして電流供給対を形成するものであり、一方、上記コンタクト領域４ｄおよび４ｅは、電圧出力対の各端部に相当するものである。

上記端子Ｓから端子Ｇ１へ、また端子Ｓから端子Ｇ２へそれぞれ一定の駆動電流を流すと、その電流は、基板表面に形成されたコンタクト領域４ａから拡散層３そして拡散層２ａおよび２ｂの下方を通じて、コンタクト領域４ｂおよび４ｃへとそれぞれ流れる。この場合拡散層３には基板表面に垂直な成分を含む電流が流れることになる。このため、基板表面に平行な成分を含む磁界が拡散層３に印加されると前述したホール効果によって電流と垂直な方向に配置された端子Ｄ１およびＤ２との間にその磁界に対応するホール電圧Ｖｈが発生し磁界を検出することができる。

この実施例の縦型ホール素子では基板表面に垂直な成分を含む電流が流れるために、拡散層３は基板に対して深さが必要となる。この場合、拡散層３の濃度分布は一定であることが望ましいが、イオン注入方による一度の不純物導入では表面からの距離により濃度が異なり一定にはならない。そこで図２のように、拡散層３の形成に際し不純物導入を２回以上行い、その後熱拡散を行うことで拡散層３の不純物濃度が広い範囲において一定になるようにする。例えば、リンを６０ｋｅＶのエネルギーでドーズ量４．０×１０¹³／ｃｍ²で注入後、更にリンを１５０ｋｅＶのエネルギーでドーズ量１．１×１０¹⁴／ｃｍ²で注入し、熱拡散（９００℃、３０分）することで、深さ方向の濃度勾配を低減する。

図２はＮ型の不純物によるＮウェルの深さ方向の濃度プロファイルを示している。曲線６はリンを６０ｋｅＶのエネルギーでドーズ量４．０×１０¹³／ｃｍ²／ｃｍ²で注入したものの熱拡散後の濃度プロファイル、曲線５はリンを１５０ｋｅＶのエネルギーでドーズ量１．１×１０¹⁴／ｃｍ²で注入したものの熱拡散後の濃度プロファイルである。そして、熱拡散することにより、両者を合わせたＮｗｅｌｌの濃度プロファイルは曲線７のように所定の深さまでほぼ一定のプロファイルとすることができる。特に、リンを１回目に注入したときのピークの位置とリンを２回目に注入したときのピークの位置の間、あるいはもう少し広く、リンを１回目に注入したときのピークの位置とリンを２回目に注入したときのピークを超えた位置の間においては濃度をほぼ一定とできる。これにより、基板表面に垂直な方向へ流れる電流成分を安定化させることができ、ホール素子としての感度を安定化することができる。比較のために従来のホール素子の磁気検出部の不純物濃度分布図を図３に示す。不純物注入が一回であるため不純物の濃度プロファイルは一定とならず、最大値を有する上に凸のプロファイルとなっている。

上記では、第１の不純物注入を基板１の所定の深さに所定のドーズ量で行い、次いで第２の不純物注入を第１の不純物注入に比べ注入深さを深くし、少ないドーズ量にするという条件からなる２回の不純物注入の例を示したが、３回以上の不純物注入としても良い。なお、イオン注入種が同じなら、加速電圧を大きくした場合、ドーズ量を少なくすることで、より濃度バラツキの少ない濃度プロファイルを得ることが可能となる。

１ 基板（Ｐ−ｓｕｂ）
２ 素子分離（Ｐ型）
３ 拡散層（Ｎ型）
４ａ〜４ｅ コンタクト領域（Ｎ＋）
５ 第２の不純物注入による濃度プロファイル
６ 第１の不純物注入による濃度プロファイル
７ 第１および第２の不純物注入による濃度プロファイル
８ 従来技術における不純物注入によるＮ濃度プロファイル
Ｇ１、Ｇ２、Ｓ、Ｄ１、Ｄ２ 電極端子

Claims (3)

1. 半導体基板内に設けられたＮ型の不純物が拡散された半導体領域内に、前記半導体基板の表面から見た深さ方向である縦に電流を流し、前記電流と垂直方向に設けられた端子間に生じる電圧により、磁場の前記半導体基板の表面に平行な成分を検出する縦型ホール素子の製造方法であって、
   前記半導体領域を形成しようとする領域に不純物を複数回に渡って注入する工程と、
   前記複数回の注入をされた前記不純物を拡散する熱拡散工程と、
   からなる前記半導体領域を形成する工程を有し、
   前記複数回に渡って不純物を注入する工程は、
   第１の注入深さと第１のドーズにより第１の不純物を注入する第１の不純物注入工程と、
   前記第１の注入深さより深い第２の注入深さと前記第１のドーズ量より少ない第２のドーズ量により第２の不純物を注入する第２の不純物注入工程と、
   を含むことを特徴とする縦型ホール素子の製造方法。
2. 前記熱拡散工程のあとにおいて、
   前記第１の不純物注入工程における前記第１の不純物のピークの位置と、前記第２の不純物注入工程における前記第２の不純物のピークの位置との間で、前記深さ方向の不純物濃度が一定である請求項１記載の縦型ホール素子の製造方法。
3. 前記複数回に渡って不純物を注入する工程は、２回に渡って不純物を注入する工程である請求項１記載の縦型ホール素子の製造方法。