半导体装置的制作方法

本发明关于半导体装置，特别是，关于具有探测水平方向的磁场的纵型霍尔元件的半导体装置。

背景技术：

霍尔元件作为磁传感器能够进行非接触方式的位置探测或角度探测，因此能用于各种用途。其中一般常常知道的是使用检测对于半导体衬底表面垂直的磁场分量的横型霍尔元件的磁传感器，但也提出各种使用检测对于衬底的表面平行的磁场分量的纵型霍尔元件的磁传感器。进而，还提出组合横型霍尔元件和纵型霍尔元件而2维、3维地检测磁场的磁传感器。

然而，纵型霍尔元件与横型霍尔元件相比，难以使灵敏度变高。

因此，在专利文献1（特别是，参照图3）中，提出了这样的结构：对形成在P型衬底的磁感受部（N阱）设置由N型扩散层构成的电极及分离邻接的电极间的电极分离扩散层（P阱），磁感受部具有在衬底表面具有最高浓度并随着从该表面加深而缓缓变成低浓度这样的浓度分布。通过这样的结构，使得所形成的耗尽层的宽度和随着从衬底表面加深而变窄的电极分离扩散层的宽度互相增补，抑制磁感受部中的电流的扩展，能够相对增加向与衬底垂直的方向流动的电流分量，谋求灵敏度的提高。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2005－333103号公报。

技术实现要素：

【发明要解决的课题】

专利文献1的构造具有如以下的特性。

即，在向夹住电极分离扩散层的二个电极间供给电流的情况下，电流从衬底表面的一个电极向衬底背面方向（下方）流动后，在电极分离扩散层的下部沿与衬底平行的方向流动，从此处向衬底表面的另一个电极（上方）流动。此时，在电极分离扩散层的下部沿与衬底平行的方向流动的电流，会特别集中到电极分离扩散层的下部的磁感受部中电阻最低的（浓度高的）区域即电极分离扩散层的正下方而流动。而且，磁感受部随着向衬底背面侧前进而成为高电阻，因此在电极分离扩散层的下部的磁感受部中接近衬底背面的区域，成为几乎不流动电流的状态。因而，沿与衬底平行的方向流动的电流在衬底的深度方向上的宽度会变窄。

已知霍尔元件的磁灵敏度与流动的电流的宽度成比例地变高，在专利文献1的构造中，如上述，由于沿与衬底平行的方向流动的电流的宽度较窄，结果难以提高灵敏度。

另外，电流流过具有浓度分布的区域，因此成为电流路径的偏差原因，有可能偏置电压增大。

因而，本发明的目的在于提供具有提高利用沿与衬底平行的方向流动的电流的灵敏度、且减小偏置电压的纵型霍尔元件的半导体装置。

【用于解决课题的方案】

本发明的半导体装置是具有第1导电型的半导体衬底和设置在所述半导体衬底上的纵型霍尔元件的半导体装置，其特征在于，所述纵型霍尔元件具备：第2导电型的半导体层，设置在所述半导体衬底上，浓度分布恒定；第2导电型的杂质扩散层，设置在所述半导体层上，浓度比所述半导体层高；多个电极，在所述杂质扩散层的表面在一条直线上设置，由浓度比所述杂质扩散层高的第2导电型的杂质区域构成；以及多个第1导电型的电极分离扩散层，在所述杂质扩散层的表面，分别设置在所述多个电极的各电极间，使所述多个电极分别分离。

【发明效果】

依据本发明，第2导电型的杂质扩散层中，形成在第1导电型的电极分离扩散层各自的周围的耗尽层还向半导体层的方向（下方）扩展，并扩展至半导体层的上表面附近。

因此，在向二个电极间供给电流的情况下，电流从一个电极向半导体衬底的背面方向（下方）流动后，遍及半导体层内的整体而沿与衬底平行的方向流动，从此处向另一个电极（上方）流动。

即，形成在电极分离扩散层的周围的耗尽层的最下部扩展到半导体层的上表面附近，从而沿与衬底平行的方向流动的电流因电极分离扩散层及耗尽层的存在而受阻，几乎或者完全不能流过杂质扩散层内。因此，沿与衬底平行的方向流动的电流几乎或者全部会流过半导体层内。而且由于该半导体层的浓度分布恒定，所以在半导体层内没有电阻低的部分、高的部分，半导体层内的电阻均匀，因此电流不会偏向一部分流动，而是遍及整体流动。

因而，能够扩大沿与半导体衬底平行的方向流动的电流的深度方向上的宽度，由此，能够提高霍尔元件的磁灵敏度。

另外，电流沿与衬底平行的方向流动的区域为浓度分布恒定的半导体层，因此电流路径难以出现偏差，能够减小偏置电压。

附图说明

【图1】（a）是本发明的实施方式的具有纵型霍尔元件的半导体装置的平面图，（b）是沿着（a）的L－L’线的截面图。

【图2】是图1（b）的放大图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对用于实施本发明的方式详细地进行说明。

图1是用于说明本发明的一个实施方式的具有纵型霍尔元件的半导体装置的图，图1（a）是平面图，图1（b）是沿着图1（a）的L－L’线的截面图。

如图1所示，本实施方式的半导体装置具备：第1导电型即P型的半导体衬底10；设置在半导体衬底10上的纵型霍尔元件100；以及以包围纵型霍尔元件100的周围的方式设置的P型的元件分离扩散层80。

纵型霍尔元件100具备以下部分而构成：设置在半导体衬底10上的第2导电型即N型的半导体层20；设置在N型半导体层20上的N型杂质扩散层30；在N型杂质扩散层30的表面在一条直线上设置的由N型的杂质区域构成的成为用于供给驱动电流及用于输出霍尔电压的电极的电极51～55；以及在N型杂质扩散层30的表面设置在电极51～55各自之间，并分别分离电极51～55的P型的电极分离扩散层61～64。

进而，在纵型霍尔元件100中，以覆盖N型杂质扩散层30的表面的除了设置电极51～55的区域以外的区域的方式，作为绝缘膜，设置例如SiO2膜70。由此，在N型杂质扩散层30表面，能够抑制与半导体衬底10平行地流动的电流。

在图1（b）的右侧，示出P型半导体衬底10、N型半导体层20、及N型杂质扩散层30所包含的杂质的浓度分布（profile）。

由该浓度分布可知，N型半导体层20杂质的浓度分布恒定，N型杂质扩散层30具有将其表面附近设为最高浓度、随着从表面向半导体层20前进而成为低浓度的浓度分布。

这样的结构例如通过下述方法形成，即通过外延生长，在半导体衬底10上形成外延层后，使N型杂质扩散到既定深度，从而在外延层的上部形成如上述的N型杂质扩散层30，在下部不扩散N型杂质而保留N型半导体层20。

通过如此形成，N型半导体层20的浓度为比N型杂质扩散层30的最下部的浓度低的浓度且变得恒定。

在此，为了提高磁灵敏度，N型半导体层20的厚度越厚越好，例如，最好为6μm以上。进而，N型半导体层20的杂质浓度优选为1×10¹⁵～1×10¹⁷atoms/cm³左右。另外，N型杂质扩散层30的表面附近的杂质浓度优选为1×10¹⁷～1×10¹⁸atoms/cm³左右、N型杂质扩散层30的深度优选浅到3～5um左右。

元件分离扩散层80比N型半导体层20的底部还深，以达到P型的半导体衬底10的方式形成。由此，将纵型霍尔元件100从半导体衬底10上的其他区域（未图示）电分离。

在通过P型元件分离扩散层80与纵型霍尔元件100电分离的半导体衬底10上的其他区域（未图示），设置构成用于处理来自纵型霍尔元件100的输出信号或者向纵型霍尔元件100供给信号的电路的晶体管等的元件。为了形成这样的元件，在该区域的至少一部分形成有N阱。

因而，N型杂质扩散层30能够以与上述N阱相同的工序同时形成。因而，该N阱会具有与N型杂质扩散层30相同的深度及相同的浓度分布。

这样，依据本实施方式，无需增加制造工艺而能够形成N型杂质扩散层30。

另外，P型电极分离扩散层61～64例如通过在N型杂质扩散层30内选择性地扩散P型的杂质而形成。

电极51～55例如在形成P型电极分离扩散层61～64后，例如用LOCOS法以覆盖P型电极分离扩散层61～64上、保留形成电极51～55的区域的方式形成SiO2膜70，以此为掩模引入N型杂质而形成。此时，电极51～55的深度形成为与P型电极分离扩散层61～64的深度相等、或更浅。

接着，参照图2，对本实施方式的半导体装置中的纵型霍尔元件100中，探测与半导体衬底10平行的方向的磁场分量的原理进行说明。

图2是放大图1（b）的截面图的图，示意性地示出以使电流从电极53流向电极51及55的方式向电极51、53及55供给驱动电流时的电流的流动情况。

磁场如在图2中以B示出的那样，设为沿与半导体衬底10平行的方向从纸面的里侧向跟前侧施加。

如图2所示，在P型电极分离扩散层61～64的周围，分别以虚线所示那样形成有耗尽层D1～D4，这些耗尽层D1～D4的最下部的位置与N型半导体层20的上表面成为大致相同的位置。

即，在本实施方式的纵型霍尔元件100中，以使耗尽层D1～D4的最下部的位置与N型半导体层20的上表面成为大致相同的位置的方式，设定P型电极分离扩散层61～64的深度及浓度、以及N型杂质扩散层30的深度及浓度。此外，耗尽层还形成在P型电极分离扩散层61～64的内侧，但是在图2中进行了省略。

在这样的结构的纵型霍尔元件100中，若电流从电极53流向电极51及55，则如以箭头Iv1所示那样，电流首先从电极53对半导体衬底10垂直地朝向半导体衬底10的背面方向（下方）而流过N型杂质扩散层30内。

然后，如箭头Ih1及Ih2所示那样，电流沿与半导体衬底10平行的方向（左右方向）流动。此时，在电极53的两侧存在P型电极分离扩散层62、63和耗尽层D2、D3，从而沿与半导体衬底10平行的方向流动的电流不能在N型杂质扩散层30内流动，如箭头Ih1及Ih2所示那样，会在N型半导体层20内流动。

N型半导体层20杂质的浓度分布恒定，所以N型半导体层20内的电阻均匀。因而，在N型半导体层20内不存在电阻低的部分或高的部分，所以以箭头Ih1及Ih2所示的电流不会偏向一部分而流动，而如图示那样，会遍及N型半导体层20内整体而流动。

电流随后如箭头Iv21、Iv22所示那样，对半导体衬底10垂直地朝向N型杂质扩散层30的表面方向（上方）而流过N型杂质扩散层30内，流入电极51及55。

对于如此流动的电流Iv1、Iv21、Iv22、Ih1、Ih2的每一个，因为磁场的作用而在与电流和磁场两者垂直的方向产生电动势。即，分别对于电流Iv1，在从电极53朝向电极52的方向（左方向）产生洛伦兹力，对于电流Iv21，在从电极51朝向电极52的方向（右方向）产生洛伦兹力，对于电流Iv22，在从电极55朝向与P型电极分离扩散层64相反侧的方向（右方向）产生洛伦兹力，对于电流Ih1，在从N型半导体层20朝向电极52的方向（上方向）产生洛伦兹力，对于电流Ih2，在从N型半导体层20朝向半导体衬底10的方向（下方向）产生洛伦兹力。

特别是，在本实施方式中，对于沿与半导体衬底10平行的方向流动的电流Ih1及Ih2，因与这些垂直的方向的磁场而产生较大的洛伦兹力，由此，在电极52和电极54产生电位差，通过该电位差能够探测磁场。

在本实施方式中，如上述那样，N型杂质扩散层30浓度越向其表面越高。因此，在N型杂质扩散层30与各P型电极分离扩散层61～64的接合部形成的耗尽层D1～D4如图2所示，几乎不向N型杂质扩散层30侧扩展。因而，在N型杂质扩散层30的表面附近，能够抑制形成在各P型电极分离扩散层61～64的周围的耗尽层D1～D4扩展到电极51～55侧的情形。因而，电流几乎不会被耗尽层D1～D4限制，因此能够减小电极51～55与P型电极分离扩散层61～64的距离。

因而，能够缩短沿与半导体衬底10平行的方向流动的电流Ih1及Ih2的距离。霍尔元件的磁灵敏度与流动的电流的长度成反比例，因此能够提高磁灵敏度。进而，能够减小电极51～55与P型电极分离扩散层61～64的距离，从而还能得到能够缩小芯片尺寸这一效果。

另外，在本实施方式中，如上述那样，沿与半导体衬底10平行的方向流动的电流Ih1、Ih2会遍及N型半导体层20内整体而流动，因此能够扩大其深度方向上的宽度。霍尔元件的磁灵敏度与流动的电流的宽度成比例，因此依据本实施方式，能够进一步提高磁灵敏度。因此，如上述那样，N型半导体层20的厚度越厚越好。

进而，在本实施方式中，杂质浓度低的N型半导体层20中有电流沿与半导体衬底10平行的方向流动，因此会提高N型半导体层20中的迁移率。已知霍尔元件的磁灵敏度也与迁移率成比例地变高，因而，依据本实施方式，能够进一步提高磁灵敏度。

另外，N型半导体层20内浓度分布恒定，因此能抑制沿与半导体衬底10平行的方向流动的电流的路径发生偏差，还能得到能够减小偏置电压这一效果。

另一方面，对半导体衬底10垂直流动的电流Iv1、Iv21、Iv22，流过具有将表面附近设为最高浓度、随着从表面向半导体层20前进而变为低浓度的浓度分布的N型杂质扩散层30内。然而，N型杂质扩散层30如上述形成为较浅，因此电流Iv1、Iv21、Iv22流动的距离较短，所以虽然流过具有浓度分布的N型杂质扩散层30内，但是，其电流路径的偏差非常小，几乎不会成为增大偏置电压的主要因素。

这样，依据本实施方式，能够实现具有高灵敏度且偏置电压小的纵型霍尔元件的半导体装置。

依据本实施方式，如上述那样，能够减小偏置电压。然而，难以使偏置电压完全为零。

因此，以下对本实施方式的纵型霍尔元件100中利用旋转电流（spinning current）来除去偏置电压的方法进行说明。

参照图1，首先，将电极51、53及55设为控制电流供电电极，当电流从电极53向电极51及55流动时，以电极52及54为霍尔电压输出电极，作为输出电压Vout1得到电极52与电极54之间的电压。另外，作为输出电压Vout2得到使电流流动的方向为相反方向的、即电流从电极51及55向电极53流动时的电极52与电极54之间的电压。

进而，更换控制电流供电电极和霍尔电压输出电极，当电流从电极52向电极54流动时，作为输出电压Vout3得到电极53与电极51及55之间的电压。另外，作为输出电压Vout4得到使电流流动的方向为相反方向的、即电流从电极54向电极52流动时电极53与电极51及55之间的电压。

而且，通过对这些输出电压Vout1～Vout4进行加减运算，能够除去偏置电压。

这样，使得配置在一条直线上的多个电极能够交替地作为控制电流供电电极和霍尔电压输出电极而使用，适当切换电流流动的方向，且通过更换控制电流供电电极和霍尔电压输出电极的作用的旋转电流，能够除去偏置电压。这样的旋转电流电极的数不限于5个，只要具有5个以上的电极就能实施。

一般的纵型霍尔元件中，因为耗尽层的变化而存在电流流动的路径会随着电流流动的方向而发生变化的情况，若如此，则利用旋转电流除去偏置电压会不完全。

相对于此，在本实施方式的纵型霍尔元件100中，如上述那样，形成在N型扩散层30与P型电极分离扩散层61～64之间的耗尽层的扩展得到抑制。因而，流入N型扩散层30及N型半导体层20的电流不受耗尽层的影响而稳定地流动，因此能够通过旋转电流来有效地除去偏置电压。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内显然可以进行各种变更。

例如，在上述实施方式中，使得耗尽层D1～D4的最下部的位置成为与N型半导体层20的上表面大致相同的位置，但是不必一定为相同的位置。即，如果耗尽层D1～D4的最下部扩展到N型半导体层20的上表面附近，则沿与衬底平行的方向流动的电流几乎不能在N型杂质扩散层30内流动，会流过N型半导体层20内。或者如果超过N型半导体层20的上表面而扩展到陷入（かかる）N型半导体层20之处，则沿与衬底平行的方向流动的电流将不能流过N型杂质扩散层30内，会在N型半导体层20内流动。因而，即便在这些情况下，虽然程度与上述实施方式不同，但是也能得到所期望的效果。

另外，以第1导电型为P型、第2导电型为N型而进行了说明，但是转换导电型而使第1导电型为N型、第2导电型为P型也无妨。

另外，上述实施方式中，电极的数设为5个，但是在能够以不需要旋转电流的程度减小偏置电压或能够容许偏置电压的情况下等，具有用于供给驱动电流2个和用于输出霍尔电压1个而合计3个以上的电极即可。

标号说明

10 半导体衬底；20 N型半导体层；30 N型杂质扩散层；51、52、53、54、55 电极；61、62、63、64 电极分离扩散层；70 SiO2膜；80 元件分离扩散层；100 纵型霍尔元件；D1、D2、D3、D4 耗尽层。