JP2924223B2 - 熱電対素子 - Google Patents

熱電対素子

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JP2924223B2
JP2924223B2 JP3040900A JP4090091A JP2924223B2 JP 2924223 B2 JP2924223 B2 JP 2924223B2 JP 3040900 A JP3040900 A JP 3040900A JP 4090091 A JP4090091 A JP 4090091A JP 2924223 B2 JP2924223 B2 JP 2924223B2
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正士 駒林
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体を利用した熱電対
素子に関し、特に、他の回路素子と共にシリコン基板上
に集積される熱電対素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、図2に示されているように、熱電
対1は異種金属導線、例えば白金と白金ロジウム、を絶
縁体2に設けて構成されており、この熱電対1に温度差
が発生して起電力が生じると、熱電対から得られる電流
が信号として電気回路3に供給されていた。この電気回
路3は他の絶縁基板4上に回路素子5,6,7を配置し
て配線されたものであり、熱電対1の形成された絶縁体
2と電気回路3の形成された絶縁基板4は、配線体8で
電気的に接続されていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱電対1は電気回路と別体であったので、熱電対1の組
立と電気回路3の組立がそれぞれ必要なだけでなく、熱
電対1と電気回路3との配線も必要であり、熱電対1を
含む電気回路システムの完成に多数の工程と、長時間を
要するという問題点があった。
【0004】また、電気回路を搭載する基板4は熱電対
1と別体なので、熱電対を含む電気回路システムが大型
化するという問題点もあった。
【0005】更に、熱電対1は配線体8を介して電気回
路3に接続されるので、配線体8での信号の減衰を考慮
しなければならず、熱電対1は大起電力を要求されると
いう問題点があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本願第1発明に係る熱電
対素子の要旨は、シリコン基板と、上記シリコン基板の
表面から所定深さに至る第1導電型の第1半導体領域
と、上記シリコン基板の裏面から上記第1半導体領域に
達する熱良導領域と、上記第1半導体領域の上面の一部
から熱良導領域に向かって延在し第1半導体領域とp−
n接合を成す第2導電型の第2半導体領域と、上記第1
半導体領域と上記第2半導体領域との接合面の一部を電
気的に絶縁する絶縁領域とを有することである。
【0007】本願第2発明に係る熱電対素子の要旨は、
シリコン基板と、上記シリコン基板の表面からシリコン
基板の内部に向かって延在する第1導電型の第1半導体
領域と、上記シリコン基板の表面からシリコン基板の内
部に向かって延在し上記第1半導体領域から所定距離離
隔する第2導電型の第2半導体領域と、上記シリコン基
板の裏面からシリコン基板の内部に向かって延在し上記
第1および第2半導体領域に接する熱良導領域と、上記
第1半導体領域を上記第2半導体領域から電気的に絶縁
する絶縁手段とを有することである。
【0008】本願第3発明に係る熱電対素子の要旨はシ
リコン基板と、上記シリコン基板の表面から所定深さに
至る第1導電型の第1珪化鉄領域と、上記シリコン基板
の裏面から上記第1珪化鉄領域に達する熱良導領域と、
上記第1珪化鉄領域の上面の一部から熱良導領域に向か
って延在し第1珪化鉄領域とp−n接合を成す第2導電
型の第2珪化鉄領域と、上記第1珪化鉄領域と上記第2
珪化鉄領域との接合面の一部を電気的に絶縁する絶縁領
域とを有することを特徴とする。
【0009】
【作用】本願第1および第2発明に係る熱電対素子は、
いずれもシリコン基板上に形成されており、熱電対素子
がシリコン基板の表裏面の温度差を該温度差に比例した
電気信号に変換する。すなわち、シリコン基板裏面の温
度は熱良導領域を通って第1半導体領域内のp−n接合
に達する。第1半導体領域の表面と第2半導体領域の表
面がシリコン基板の表面で裏面の温度とは異なる温度と
接していれば、起電力が生じる。この同じシリコン基板
上に電気回路(電子回路を含む上位概念としての電気回
路である)を形成すれば、熱電対素子から得られる電気
信号はこの電気回路で処理され、シリコン基板外に設け
られた外部装置に供給できる。また第3発明で規定する
ように第1,第2半導体領域を珪化鉄で形成すると、同
じ温度差に対し、より高い熱起電力が得られる。
【0010】
【実施例】図1は本願発明の第1実施例を示す断面図で
ある。まず、図1に示された集積回路の構造を説明す
る。
【0011】図1において、1はn−型の単結晶シリコ
ン基板であり、このシリコン基板1には厚いフィールド
酸化膜2が選択的に成長し、活性領域を画成している。
これらの活性領域には熱電対素子3と電気回路4を構成
する回路素子としての電界効果型トランジスタ5、6が
形成されており、シリコン基板1を被う層間絶縁膜7上
には配線層8、9、10、11、12が設けられ、熱電
対素子3と電気回路4および電気回路4を構成する回路
素子を電気的に接続している。
【0012】熱電対素子3はシリコン基板1の表面から
裏面に向かうp型の第1珪化鉄領域13と、第1珪化鉄
領域13の表面から延在するn型の第2珪化鉄領域14
とを有しており、アルミニウムの熱良導領域15がシリ
コン基板1の裏面から第1珪化鉄領域13に接するまで
延在している。上記第1珪化鉄領域13と第2珪化鉄領
域14はこの熱良導領域15の近傍でp−n接合16を
形成している。
【0013】第1珪化鉄領域13と第2珪化鉄領域14
はそれぞれシリコン基板の表面に露出しており、第1珪
化鉄領域13の表面と第2珪化鉄領域14の表面は共に
薄いシリコン酸化物の保護層17で保護されている。熱
良導領域15とほぼ並行なp−n接合16を除き、第1
珪化鉄領域13と第2珪化鉄領域14との接合面はシリ
コン基板1の表面から内部に向かって延在する溝型の酸
化膜分離領域18で電気的に分離されている。
【0014】電気回路4はシリコン基板1に形成された
p型のウエル19内に形成された電界効果トランジスタ
5、6を含んでいる。なお、電気回路4は電界効果トラ
ンジスタ5、6以外にも抵抗体、ダイオード、容量素子
等を含んでいる。
【0015】第1および第2珪化鉄領域13、14は配
線体8、9に接続されており、配線体8、9は熱電対素
子3の起電力に比例した電気信号を電気回路4に供給す
る。しかしながら、シリコン基板1は一辺数ミリメート
ルのチップであり、熱電対素子3は電気回路4からわず
かに離れているのみなので、その起電力は比較的小さく
てよい。
【0016】電界効果トランジスタ5はp型ウエル内の
活性領域に形成されており、n型のソース、ドレイン領
域20、21とチャンネル上のゲート酸化膜22とゲー
ト電極23とを有している。
【0017】電界効果トランジスタ6もp型ウエル内の
活性領域に形成されており、n型のソース、ドレイン領
域24、25とチャンネル上のゲート酸化膜26とゲー
ト電極27とを有している。
【0018】電気回路4は熱電対素子3から供給される
電気信号の処理を実行し、その機能は修正回路が接続さ
れる外部機器によって異なる。熱電対素子3から供給さ
れる電気信号の電圧レベルの調整、増幅、温度補償とい
った基本的な機能だけでなく、A/D変換、各種ディジ
タル処理を実行するようにしてもよい。
【0019】次に、図1に示された集積回路の動作を説
明する。シリコン基板1の表面と裏面が互いに異なる温
度環境に晒されると、シリコン基板1表面の温度は熱良
導領域15を介してp−n接合16に達し、他の温度環
境に晒された第1、第2珪化鉄領域13、14の表面と
の間に起電力が発生する。かようにして熱電対素子3に
発生する電流は電気信号として電気回路4に供給され、
所定の処理を施された後に外部機器に供給される。
【0020】次に、図1に示された集積回路の製造方法
を図3ないし図18を参照して説明する。なお、電気回
路4の部分は通常の集積回路製造プロセスで実現される
ので、熱電対素子3の製造工程のみ説明する。
【0021】n−型のシリコン基板1の表面が熱酸化さ
れ、シリコン酸化膜51がシリコン基板1の表面を被
う。ホトレジスト溶液がシリコン酸化膜51上に滴下さ
れ、スピンコーティングされた後、リソグラフィ工程で
パターニングされ、ホトマスク52が図3に示されてい
るように形成される。
【0022】このホトマスクを利用して、シリコン酸化
膜51が選択的にエッチングされ、シリコン酸化膜51
に開口が設けられる。鉄が、例えば、蒸着法でシリコン
酸化膜51上に被着され、図4に示されているように、
拡散源53がシリコン基板1に接触する。
【0023】シリコン基板1は炉中で摂氏800度ない
し摂氏950度に加熱されると、拡散源53から鉄がシ
リコン基板1中に拡散して珪化鉄領域54が形成され
る。珪化鉄領域54が形成された後、図5に示されてい
るように、鉄の拡散源53は除去される。
【0024】シリコン酸化膜51をマスクとして、p型
不純物55が珪化鉄領域54にイオン注入され、p型の
第1珪化鉄領域13が図6に示されているように形成さ
れる。
【0025】シリコン基板1上のシリコン酸化膜51は
除去され、ホトレジスト溶液が滴下され、全面にスピン
コーティングされ、リソグラフィ法でパターニングされ
る。その結果、第1珪化鉄領域13の一部を露出するホ
トマスク56が図7に示されているように形成される。
【0026】n型の不純物57がホトマスク56から露
出されている第1珪化鉄領域13にイオン注入され、n
型の第2珪化鉄領域14画題1珪化鉄領域13内に形成
される。図8からも明らかなように、第1、第2珪化鉄
領域13、14は第1珪化鉄領域13の底面近傍でp−
n接合16を形成している。
【0027】ホトマスク56が除去された後に、シリコ
ン酸化物が、例えば化学的蒸着法で堆積され、図9に示
されているようにシリコン酸化膜58がシリコン基板1
の表面に形成される。
【0028】シリコン酸化膜58上にホトレジスト溶液
が滴下され、スピンコーティングされる。このホトレジ
ストはリソグラフィ法でパターニングされ、ホトマスク
59となる。ホトマスク59は、図10に示されている
ように、第1、第2珪化鉄領域13、14の接合面上で
開口している。
【0029】シリコン酸化膜58がホトマスク59を利
用して選択的にエッチングされ、シリコン基板1の表面
から縦方向に延在する溝60が図11に示されているよ
うに接合面に沿って形成される。
【0030】シリコン酸化物が化学的蒸着法で全面に被
着され、溝60はシリコン酸化物で埋められる。その
後、シリコン酸化物およびシリコン酸化膜58はシリコ
ン基板1の表面が露出するまでエッチングされ、図12
に示されているように、溝60はシリコン酸化物の分離
領域18で埋められる。
【0031】図13に示されているように、薄いシリコ
ン酸化物の保護膜61が熱電対素子の形成領域上に形成
され、第1、第2珪化鉄領域13、14を以後の工程中
の汚染等から保護する。
【0032】半導体基板1は裏返され、図14に示され
ているように、アルミニウム62が半導体基板1の裏面
に、例えば蒸着法で被着される。
【0033】ホトレジストがアルミニウム膜62上にス
ピンコーティングされ、リソグラフィ法でパターニング
されると、第1珪化鉄領域13上を被うホトマスク63
が、図15に示されているように形成される。
【0034】ホトマスク63を利用して、アルミニウム
膜62を選択的にエッチングすると、図16に示されて
いるように、第1珪化鉄領域13上方にアルミニウム膜
62が選択的に残される。
【0035】シリコン基板1の表面を約摂氏1000度
に加熱してシリコン基板1の厚さ方向に150度/セン
チメートルの温度勾配を発生させる。アルミニウム62
は熱マイグレーション(Thermomigratio
n)でシリコン基板1中に移動させる。このようにして
図17に示す熱良導領域15が形成される。
【0036】シリコン酸化膜61を除去し、シリコン酸
化物の保護膜17を再び形成し、層間絶縁膜7を堆積す
る。層間絶縁膜7にコンタクト孔を形成し、配線体8,
9を形成して図18に示す熱電対素子を完成する。
【0037】図19は本発明の第2実施例を示す断面図
である。第1実施例と同一構成部分には同一番号を付し
て説明を省略する。本実施例では、p型の第1珪化鉄領
域81はn型の第2珪化鉄領域82から水平方向に離隔
して形成され、熱良導領域15は第1、第2珪化鉄領域
81、82に接している。83は第2珪化鉄領域82を
シリコン基板1から絶縁する分離膜である。
【0038】上記第2実施例も電気回路とともにシリコ
ン基板1上に集積され、第1実施例と同様の機能を奏す
ることができる。
【0039】
【効果】以上説明してきたように、本発明によると、熱
電対素子がシリコン基板上に形成できるので、電気回路
と集積でき、量産化し易い、小型で安価な電気システム
を構成できるという効果を得られる。また、同一のシリ
コン基板上に熱電対素子と電気回路が集積されるので、
熱電対素子と電気回路はきわめて短い配線で接続でき、
配線体での電圧降下は無視できるので、熱電対素子の起
電力は僅かでよいという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す断面図である。
【図2】従来の熱電対素子を含むシステムの概略構成図
である。
【図3】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む集
積回路の製造方法の第1工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む集
積回路の製造方法の第2工程を示す断面図である。
【図5】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む集
積回路の製造方法の第3工程を示す断面図である。
【図6】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む集
積回路の製造方法の第4工程を示す断面図である。
【図7】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む集
積回路の製造方法の第5工程を示す断面図である。
【図8】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む集
積回路の製造方法の第6工程を示す断面図である。
【図9】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む集
積回路の製造方法の第7工程を示す断面図である。
【図10】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第8工程を示す断面図である。
【図11】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第9工程を示す断面図である。
【図12】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第10工程を示す断面図である。
【図13】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第11工程を示す断面図である。
【図14】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第12工程を示す断面図である。
【図15】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第13工程を示す断面図である。
【図16】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第14工程を示す断面図である。
【図17】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第15工程を示す断面図である。
【図18】本発明の第1実施例に係る熱電対素子を含む
集積回路の製造方法の第16工程を示す断面図である。
【図19】本発明の第2実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 3 熱電対素子 4 電気回路 5,6 電界効果型トランジスタ 8,9 配線体 10,11 配線体 13 第1珪化鉄領域 14 第2珪化鉄領域 15 熱良導領域 18 絶縁分離領域 81 第1珪化鉄領域 82 第2珪化鉄領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 35/00 G01K 7/01 G01K 7/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板と、上記シリコン基板の表
    面から所定深さに至る第1導電型の第1半導体領域と、
    上記シリコン基板の裏面から上記第1半導体領域に達す
    る熱良導領域と、上記第1半導体領域の上面の一部から
    熱良導領域に向かって延在し第1半導体領域とp−n接
    合を成す第2導電型の第2半導体領域と、上記第1半導
    体領域と上記第2半導体領域との接合面の一部を電気的
    に絶縁する絶縁領域とを有することを特徴とする熱電対
    素子。
  2. 【請求項2】 シリコン基板と、上記シリコン基板の表
    面からシリコン基板の内部に向かって延在する第1導電
    型の第1半導体領域と、上記シリコン基板の表面からシ
    リコン基板の内部に向かって延在し上記第1半導体領域
    から所定距離離隔する第2導電型の第2半導体領域と、
    上記シリコン基板の裏面からシリコン基板の内部に向か
    って延在し上記第1および第2半導体領域に接する熱良
    導領域と、上記第1半導体領域を上記第2半導体領域か
    ら電気的に絶縁する絶縁手段とを有することを特徴とす
    る熱電対素子。
  3. 【請求項3】 シリコン基板と、上記シリコン基板の表
    面から所定深さに至る第1導電型の第1珪化鉄領域と、
    上記シリコン基板の裏面から上記第1珪化鉄領域に達す
    る熱良導領域と、上記第1珪化鉄領域の上面の一部から
    熱良導領域に向かって延在し第1珪化鉄領域とp−n接
    合を成す第2導電型の第2珪化鉄領域と、上記第1珪化
    鉄領域と上記第2珪化鉄領域との接合面の一部を電気的
    に絶縁する絶縁領域とを有することを特徴とする熱電対
    素子。
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