CN101515496A

CN101515496A - 热敏电阻及其制造方法

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Publication number: CN101515496A
Application number: CNA2008100336943A
Authority: CN
Inventors: 付佳旭; 胡方; 刘蓓珍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2009-08-26

Abstract

本发明公开了一种热敏电阻，包括半导体基体和两电极结构。其中，半导体基体的材料是经过重金属掺质掺杂补偿的掺杂半导体，而具有负温度系数的特性。两电极结构分别配置于半导体基体的两对向端。

Description

热敏电阻及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种热敏电阻(thermistor)及其制造方法，且特别是有关于一种以半导体为材料的热敏电阻及其制造方法。

背景技术

热敏电阻是一种电阻元件，其是利用元件受热而发生电阻变化，进而造成元件两端电压的改变。详言之，根据热敏电阻的电阻值随温度变化的情形，主要可将热敏电阻分成两大类：电阻值与温度成反比变化的负温度系数(negativetemperature coefficient，NTC)热敏电阻以及电阻值与温度成正比变化的正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)热敏电阻两种。其中，负温度系数热敏电阻可作为电路元件，而被广泛应用于温度控制、温度测量及温度补偿等领域。

请参照图1，其绘示传统的一种热敏电阻的剖面示意图。传统的热敏电阻100包括一基板110、一第一电极120、一第二电极130、一热敏电阻层(thermistorlayer)140、两外部电极(external electrode)150、两背面电极160以及一保护层170。其中，基板110具有第一表面112、于第一表面112对向侧的第二表面114及连接第一表面112与第二表面的两个端面116。第一电极120与第二电极130配置于基板110之第一表面112上，这些背面电极160配置于基板110之第二表面114上，热敏电阻层140配置于第一表面112上且电性连接第一电极120与第二电极130。热敏电阻层140覆盖部分第一电极120与部分第二电极130。保护层170覆盖部分第一电极120、部分第二电极130与热敏电阻层140。这些外部电极150分别由第一表面112上的第一电极120与第二电极130经过其中的一端面116延伸且电性连接至第二表面114上的这些背面电极160。

一般而言，常见的热敏电阻是采用电子陶瓷技术或陶瓷厚膜技术所制造出来的。然而，无论是使用电子陶瓷技术或是陶瓷厚膜技术，都需经过繁复的制造步骤，且制造出来的热敏电阻结构也很复杂。此外，使用上述方式制造热敏电阻往往会造成产品的良率较低，致使影响电阻值随温度变化的性质及整体的电性表现。而且，若要使用传统的制造方法改善热敏电阻的产品特性也容易受到局限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种热敏电阻，其电阻值范围宽，并具有较高的温度灵敏度，而可以提升整体的电性表现。

本发明提供一种热敏电阻的制造方法，可确保电阻值的一致性，并能够大量生产且降低成本。

本发明提出一种热敏电阻，包括半导体基体和两电极结构。半导体基体的材料是经过重金属掺质掺杂补偿的掺杂半导体，而具有负温度系数的特性。两电极结构分别配置于半导体基体的两对向端。

在本发明的一实施例中，上述的重金属掺质为选自铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒组成之群组。

在本发明的一实施例中，上述的半导体基体为硅基体、砷化镓基体或锑化镓基体，其中硅基体掺杂有磷或硼。

在本发明的一实施例中，在上述的热敏电阻基体中，重金属掺质浓度为介于10¹³tom/cm³至10¹⁷atom/cm³之间。

在本发明的一实施例中，上述的各电极结构包括一端头电极及一外电极，端头电极配置于半导体基体及外电极之间。而各电极结构还包括一内电极，配置于半导体基体与外电极之间。而外电极及内电极的材料包括镍锡、锡银或镍锡铅，端头电极的材料例如是镍或银。

在本发明的一实施例中，热敏电阻还包括绝缘保护层，至少覆盖电极结构以外区域的半导体基体。

在本发明的一实施例中，上述的热敏电阻例如是表面粘着式热敏电阻(surfacemount technology device，SMD)或热敏电阻珠。

本发明另提出一种热敏电阻的制造方法。首先，提供一半导体晶圆。接着，进行一掺杂制程，于半导体晶圆中注入一重金属掺质，使半导体晶圆形成高补偿的热敏电阻基体，而具有负温度系数的特性。之后，切割半导体晶圆，以形成多个热敏电阻基体，各热敏电阻基体为管芯结构。随之，分别于各管芯结构的两对向端形成电极结构。

在本发明的一实施例中，上述的重金属掺质为选自铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒所组成的群组。

在本发明的一实施例中，上述的半导体晶圆为硅晶圆、砷化镓晶圆或锑化镓晶圆，其中硅晶圆掺杂有磷或硼。

在本发明的一实施例中，上述的重金属掺质浓度为介于10¹³atom/cm³至10¹⁷atom/cm³之间。

在本发明的一实施例中，在切割半导体晶圆之前，还包括于热敏电阻基体的两对向表面分别形成一导电膜，此导电膜是作为各电极结构中的端头电极。而各电极结构的形成方法包括于各管芯结构的两对向端分别形成一外电极，使端头电极配置于热敏电阻基体及外电极之间，且外电极与端头电极耦接。此外，更包括于热敏电阻基体与外电极之间形成一内电极。上述之外电极及内电极的材料包括镍锡、锡银或镍锡铅，导电膜的材料例如是镍或银。

在本发明的一实施例中，还包括形成绝缘保护层，至少覆盖电极结构以外区域的热敏电阻基体。

在本发明的一实施例中，上述的热敏电阻例如是表面粘着式热敏电阻或热敏电阻珠。

本发明的热敏电阻及其制造方法因采用半导体材料做为基材，因此元件的电阻值范围宽、温度灵敏度高，并具有较佳的电性表现。

再者，本发明的热敏电阻及其制造方法可整合至现有的半导体制程中，因此有助于确保热敏电阻的良率，并能够降低制造成本。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是传统的一种热敏电阻的剖面示意图。

图2至图5是依照本发明的一实施例的热敏电阻的管芯结构的制造流程示意图。

图6是沿着图5中I-I’线段的剖面示意图。

图7是依照本发明的一实施例的热敏电阻的剖面示意图。

图8是依照本发明的另一实施例的热敏电阻的剖面示意图。

具体实施方式

图2至图5是依照本发明的一实施例的热敏电阻的管芯结构的制造流程示意图。图6是沿着图5中I-I’线段的剖面示意图。须注意的是，以下所述的制造方法仅是形成多种类型的热敏电阻中的一种，其主要是为了详细说明本发明的方法在形成作为热敏电阻基体的管芯结构的制作流程，以使此熟悉该项技术者能够据以实施，但并非用以限定本发明的范围。至于其他构件如电极、保护层等构件的配置、形成方式及顺序，均可依所属技术领域中具有通常知识者所知的技术制作，而不限于下述实施例所述。

请参照图2，提供一半导体晶圆200，半导体晶圆200的厚度约介于150μm至600μm之间。半导体晶圆200例如是硅晶圆、砷化镓(GaAs)晶圆、锑化镓(GaSb)晶圆或是以其他合适的半导体材料所形成的晶圆。当半导体晶圆200为硅晶圆时，硅晶圆内会掺杂有五价的磷或三价的硼，以使其形成N型半导体或P型半导体。详言之，无论使用N型半导体或者P型半导体作为半导体晶圆200的材料，则后续预形成的热敏电阻均为负温度系数热敏电阻。

在本实施例中，将以掺杂有磷的N型半导体作为半导体晶圆200的材料、后续形成的热敏电阻则以负温度系数热敏电阻为例来进行说明，以使熟习此项技术者能够据以实施，但并非用以限定本发明的范围。

请继续参照图2，对半导体晶圆200进行掺杂制程206，于半导体晶圆200中掺杂注入一重金属掺质。在一实施例中，重金属掺质为选自铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒所组成的群组，且掺入的重金属掺质浓度约介于10¹³atom/cm³至10¹⁷atom/cm³之间。而将重金属掺质掺杂到半导体晶圆200中的掺杂制程206例如是扩散法，于半导体晶圆200的上、下表面分别重掺杂以使重金属掺质可以快速均匀地分布在半导体晶圆200中，并使半导体晶圆200的全部材料获得充份的补偿。而充分被重金属掺质补偿的半导体晶圆200则形成具有负温度系数特性的热敏电阻基体212。

特别说明的是，本实施例中的热敏电阻基体212是由被重金属掺质充分补偿的N型半导体材料所构成，而可被视为一种本征半导体，因此热敏电阻基体212的电阻值基本上是由半导体材料的电阻值来决定，且其具有特殊的热阻效应。在热敏电阻基体212中，载子(电子)在深能阶大部分都被捕获，此时因为自由载子很少，使得热敏电阻基体212具有很高的电阻值。亦即，在绝对温度为0K的条件下，热敏电阻基体212的电阻值会接近本征半导体的电阻值。当温度高于绝对温度0K时，载子会被热能激发而跃迁到导带，因而使自由载子增加，并同时使热敏电阻基体212的电阻值随之减小。因此，可以使热敏电阻基体212呈现负温度系数的特性。

请参照图3，于热敏电阻基体212的两对向外表面分别形成导电膜214，此导电膜经合金化形成N+区域会与热敏电阻基体212之间的接触面形成欧姆接触(Ohmic contact)，而能够降低接触面的接触电阻，有助于提升后续所形成的电极的电性表现。导电膜214的厚度约介于5μm至20μm之间。导电膜214的材料例如是镍、银或是其他合适的金属或合金，且其形成方法可以是物理气相沉积法或化学气相沉积法。在本实施例中，导电膜214的材料为银，且其形成方法为溅镀法。

请同时参照图4、图5与图6，切割半导体晶圆200，以形成多个管芯结构220。各个管芯结构220包括热敏电阻基体212以及导电膜214，其中导电膜214配置在热敏电阻基体212两端头外侧，以作为端头电极。在一实施例中，管芯结构220的尺寸为0.6×0.3×0.3mm、0.6×0.3×0.2mm、1.0×0.5×0.3mm或1.0×0.5×0.2mm。

值得一提的是，半导体晶圆200的材料电阻率、重金属掺质的浓度以及管芯结构220的几何尺寸都会影响到后续形成的热敏电阻的电性表现，其中又以重金属掺质的浓度最为重要。因此，通过改变上述三种参数能够轻易地控制后续预形成的热敏电阻，而获得具有不同电阻值或B常数(B constant)的各类热敏电阻。

图7是依照本发明的一实施例的热敏电阻的剖面示意图。在一实施例中，使用管芯结构220所制造的热敏电阻为表面粘着式热敏电阻(surface mount technologydevice，SMD)，如图7所示。详言之，表面粘着式热敏电阻的形成方法包括下列步骤：先将上述步骤所形成的管芯结构220排列在特定的模具中，再以厚膜制程(thickfilm process)于热敏电阻基体212两端的表面印刷内电极234，接着再将其放入炉中进行烧结制程(sintering process)而使内电极234固化。内电极234的材料例如是镍锡、锡银、镍锡铅或是其他合适的导体。在此实施例中，内电极234的材料为电极用的银胶。内电极234的厚度约介于0.5μm到20μm之间。固化后的内电极234会与导电膜214形成电性导通，以利后续形成所需的电极结构。之后，以厚膜印刷及适当的固化方式在内电极234与导电膜214以外的区域形成一层绝缘保护层232，以覆盖热敏电阻基体212。绝缘保护层232是用来保护热敏电阻基体212被破坏或防止在后续电镀制程中被镀上金属材料。在一实施例中，绝缘保护层232的材料为热固型高分子材料，其可以是环氧树脂(epoxy)、丙烯酸酯(acrylate)、聚酰亚胺(polyimide)或是其他种类的高分子聚合物。随之，于管芯结构220的两端分别形成外电极230，也就是在位于热敏电阻基体212两端头的内电极234与导电膜214(端头电极)外侧形成外电极230。外电极230的材料包括镍锡镀层、锡银镀层、镍锡铅镀层或是其他合适的金属镀层。外电极230的形成方法例如是将管芯结构220放入滚镀槽中进行电镀，以分别将所需的金属镀层一一电镀至管芯结构220的两端。外电极230的厚度约介于3μm至20μm之间。外电极230例如是透过导电膜214及内电极234而与热敏电阻基体212电性连接，而外电极230、导电膜214与内电极234则共同作为热敏电阻的电极结构。

图8是依照本发明的另一实施例的热敏电阻的剖面示意图。在另一实施例中，使用管芯结构220所制造的热敏电阻也可以是热敏电阻珠的结构，如图8所示。热敏电阻珠的形成方法是先通过在图5的管芯结构220两端的导电膜214表面分别焊上电极外引线240作为外电极。电极外引线240例如是镍线或铜包镍线。热敏电阻体212两端头可以分别通过导电膜214与各侧的电极外引线240电性连接，而电极外引线240与导电膜214则共同作为热敏电阻的电极结构。之后，在整个管芯结构220的外侧形成绝缘保护层242，以覆盖管芯结构220及与管芯结构220连接的部分电极外引线240。绝缘保护层232可以为环氧树脂、玻璃、聚甲基丙烯酸(polymethacrylic acid，PMA)或是其他合适的绝缘材料。

在此说明的是，在形成如图7或图8所示的热敏电阻结构之后，还可以继续进行测试步骤及封装步骤，以完成筛选及包装产品。至于完成后续步骤的细节，当为熟知本领域的技术人员所周知，故于此不再赘述。

综上所述，本发明的热敏电阻及其制造方法通过在半导体晶圆中掺杂重金属掺质，藉以形成高补偿型的掺杂半导体，再将半导体晶圆切割至所需的尺寸，以进行后续制备热敏电阻的步骤，因此由半导体材料构成的热敏电阻可以具有较佳的电性表现。

此外，本发明的热敏电阻的制造方法可整合于现行的半导体制程中，而能够以简单手段大量生产电性表现优异的热敏电阻，有助于降低制程所需的成本。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种热敏电阻，包括：

一半导体基体，其中该半导体基体的材料是经过一重金属掺质掺杂补偿的掺杂半导体，而具有负温度系数的特性；以及

两电极结构，分别配置于该半导体基体的两对向端。

2.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该重金属掺质为选自铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒所组成d群组。

3.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该半导体基体为一硅基体、一砷化镓基体或一锑化镓基体。

4.如权利要求3所述的热敏电阻，其特征在于，该硅基体掺杂有磷或硼。

5.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该重金属掺质浓度为介于10¹³atom/cm³至10¹⁷atom/cm³之间。

6.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，各该些电极结构包括一端头电极及一外电极，该端头电极配置于该半导体基体及该外电极之间。

7.如权利要求6所述的热敏电阻，其特征在于，各该些电极结构还包括一内电极，配置于该半导体基体与该外电极之间。

8.如权利要求7所述的热敏电阻，其特征在于，该外电极及该内电极的材料包括镍锡、锡银或镍锡铅。

9.如权利要求6所述的热敏电阻，其特征在于，该端头电极的材料为镍或银。

10.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，还包括一绝缘保护层，至少覆盖该些电极结构以外区域的该半导体基体。

11.如权利要求1所述的热敏电阻，其特征在于，该热敏电阻为表面粘着式热敏电阻或热敏电阻珠。

12.一种热敏电阻的制造方法，包括：

提供一半导体晶圆；

进行一掺杂制程，于该半导体晶圆中注入一重金属掺杂，使该半导体晶圆形成高补偿的一热敏电阻基体，而具有负温度系数的特性；

切割该半导体晶圆，以形成多个管芯结构；以及

分别于各该些管芯结构的两对向端形成两电极结构。

13.如权利要求12所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，该重金属掺质为选自铜、金、铂、银、镍、铁、锰、钼、钨、钛、锌、汞、镉、铬及钒所组成的群组。

14.如权利要求12所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，该半导体晶圆为一硅晶圆、一砷化镓晶圆或一锑化镓晶圆。

15.如权利要求14所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，该硅晶圆原始掺杂有磷或硼。

16.如权利要求12所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，该重金属掺质浓度为介于10¹³atom/cm³至10¹⁷atom/cm³之间。

17.如权利要求12所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，在切割该半导体晶圆之前，还包括于该热敏电阻基体的两对向表面分别形成一导电膜，该导电膜是作为各该些电极结构中的一端头电极。

18.如权利要求17所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，各该些电极结构的形成方法包括于各该些管芯结构的两对向端分别形成一外电极，使该端头电极配置于该热敏电阻基体及该外电极之间，且该外电极与该端头电极耦接。

19.如权利要求18所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，还包括于该热敏电阻基体与该外电极之间形成一内电极。

20.如权利要求19所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，该外电极及该内电极的材料包括镍锡、锡银或镍锡铅。

21.如权利要求17所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，该导电膜的材料为镍或银。

22.如权利要求12所述的热敏电阻的制造方法，其特征在于，还包括形成一绝缘保护层，至少覆盖该些电极结构以外区域的该热敏电阻基体。

23.如权利要求12所述的热敏电阻，其特征在于，该热敏电阻为表面粘着式热敏电阻或热敏电阻珠。