JPH08125127A

JPH08125127A - 抵抗素子及び温度センサー

Info

Publication number: JPH08125127A
Application number: JP25637894A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 和夫江田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1996-05-17

Abstract

(57)【要約】【目的】広い温度範囲で抵抗値が安定な抵抗素子の構
造を提供する。【構成】 P 型シリコン基板１０上に、正の温度係数を
有するP 型拡散抵抗層１２（第１抵抗）と、負の温度係
数を有する微結晶シリコン抵抗層１４（第２抵抗）を形
成し、P 型シリコン基板１０と微結晶シリコン抵抗層１
４とを並列に接続した。【効果】温度変化による抵抗値の変動率を任意に選択
することができ、広い温度範囲で抵抗値が安定な半導体
装置を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に、抵抗の温度変化
に伴う抵抗値の変動を任意に設定することができる抵抗
素子、及び、抵抗の温度変化に伴う抵抗値の変動を有効
に利用して感度の向上を図った温度センサーに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に抵抗素子を形成しようと
する場合、単結晶半導体に拡散により単結晶抵抗層を形
成する方法、または、半導体基板上にSiO₂などの絶縁膜
を介して多結晶層を形成して抵抗とする方法、または、
単結晶抵抗層と多結晶抵抗層とを直列または並列に接続
して抵抗素子を形成する方法等がある。図４に基づい
て、単結晶抵抗層と多結晶抵抗層とを直列接続して複合
抵抗を形成した一例について説明する。図で、１は、P
型基板、２はP 型基板１上に形成されたN 型エピタキシ
ャル層、３はN 型エピタキシャル層２の領域に形成され
たP 型拡散抵抗層（単結晶抵抗層）、４はP 型基板１上
に形成された絶縁膜である酸化シリコン層、５は酸化シ
リコン層４上に形成された多結晶シリコン層、６は酸化
シリコン層４に形成されたコンタクト４ａを介してP 型
拡散抵抗層３の一方の端部に接触する金属配線層、７は
酸化シリコン層４に形成されたコンタクト４ｂを介して
P 型拡散抵抗層３の他方の端部に接触すると共に、多結
晶シリコン層５の一方の端部に接触する金属配線層、８
は多結晶シリコン層５の他方の端部に接触する金属配線
層、９はP 型分離層である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来より、抵抗素子は
広い温度範囲で、その抵抗値が安定していることが要求
されているが、一般的に抵抗として使用される、P 型拡
散抵抗層３のような単結晶半導体で構成される抵抗素子
の場合、その温度が上昇するのに伴い、抵抗値も増加す
るという正の温度係数を有しており、多結晶シリコン層
で構成される多結晶抵抗は、温度が上昇するのに伴い、
その抵抗値は減少するという負の温度係数を有してい
る。そこで、これらの抵抗を組み合わせることにより、
温度変化に伴う抵抗値の変動を抑制した抵抗素子を得る
ことができるようになった。しかし、多結晶抵抗は半導
体基板上にSiO₂などの絶縁膜を介して形成されていたた
め、放熱性が悪いという問題点があった。また、多結晶
抵抗の形成は、比較的高温（〜800℃）で行われるた
め、半導体装置の微細化に伴う低温化プロセスへの移行
が容易でないという問題があった。

【０００４】本発明は上記事情に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、広い温度範囲で安定な抵抗値
を実現できる抵抗素子の構造を提供することにある。ま
た、その抵抗素子を応用して感度の向上を図った温度セ
ンサーの構造を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の抵抗素子は、半導体基板上に、正の
温度係数を有する単結晶半導体で構成される第１抵抗
と、負の温度係数を有する、微結晶半導体またはアモル
ファス半導体で構成され、前記第１抵抗と直列または並
列に接続される第２抵抗とを備えたことを特徴とするも
のである。

【０００６】請求項２記載の抵抗素子は、半導体基板上
に、正の温度係数を有する単結晶半導体で構成される第
１抵抗と、負の温度係数を有する、微結晶半導体または
アモルファス半導体で、前記第１抵抗上に形成され、前
記第１抵抗と直列または並列に接続される第２抵抗とを
備えたことを特徴とするものである。

【０００７】また、請求項３記載の温度センサーは、半
導体基板上に、正の温度係数を有する単結晶半導体で構
成される第１抵抗の抵抗値と、負の温度係数を有する、
微結晶半導体またはアモルファス半導体で構成される第
２抵抗の抵抗値とを比較して温度変化を検知することを
特徴とするものである。

【０００８】

【作用】本発明の抵抗素子は、正の温度係数を有する単
結晶半導体を用いた抵抗（第１抵抗）と、低温（〜300
℃）での形成が可能な微結晶半導体あるいはアモルファ
ス半導体を用いた、負の温度係数を有する抵抗（第２抵
抗）とを、直列または並列に接続したものである。この
ように構成することにより、温度変化による抵抗値の変
動率を任意に選択することができる。

【０００９】また、SiO₂のような絶縁膜上にではなく、
単結晶半導体を用いた抵抗（第１抵抗）上に、微結晶半
導体あるいはアモルファス半導体で構成される抵抗（第
２抵抗）を形成することにより、第２抵抗の放熱性を改
善することができる。

【００１０】さらに、第１抵抗及び第２抵抗を組み合わ
せて、温度センサーを構成し、それらの抵抗値を比較す
ることによって、感度良く温度変化を検知することがで
きる。

【００１１】

【実施例】図１に基づいて本発明の半導体装置の一実施
例について説明する。図１は、抵抗素子の要部を示す断
面図である。図に示すように、半導体基板であるP 型シ
リコン基板１０上に形成されたN 型エピタキシャル領域
１１の内部に、不純物濃度または拡散温度を変化させる
ことにより、抵抗値Raまたは温度係数αa を調節したP
型拡散抵抗層１２（第１抵抗）を形成する。次に、酸化
シリコン膜１３をN型エピタキシャル領域１１上に形成
して、第２抵抗である微結晶シリコン抵抗層、及び、P
型拡散抵抗層１２に対するコンタクトを形成するため
に、P 型拡散抵抗層１２上の酸化シリコンを除去する。
次に、微結晶シリコンをP 型シリコン基板１０の全面に
成長させ、エッチングにより不必要な部分を除去して、
P 型拡散抵抗層１２上に微結晶シリコン抵抗層１４（第
２抵抗）を形成すると共に、P 型拡散抵抗層１２に対す
るコンタクト１５，１６を形成する。

【００１２】最後に、金属配線１７，１８を酸化シリコ
ン層１３上に形成する。この時、金属配線１７が、コン
タクト１５を介してP 型拡散抵抗層１２の一方の端部に
接触するように、また、コンタクト１５近傍の微結晶シ
リコン抵抗層１４の一方の端部に接触するように形成す
る。同様に、金属配線１８が、コンタクト１６を介して
P 型拡散抵抗層１２の他方の端部に接触するように、ま
た、コンタクト１６近傍の微結晶シリコン抵抗層１４の
他方の端部に接触するように形成する。

【００１３】このように構成することによって、第１抵
抗であるP 型拡散抵抗層１２と第２抵抗である微結晶シ
リコン抵抗層１４とを並列に接続した抵抗素子を形成す
ることができる。この時、微結晶シリコン抵抗層１４の
抵抗値Rbまたは温度係数αbを、不純物濃度または成長
温度を変化させることなどにより調節することによっ
て、第１抵抗と第２抵抗の並列接続によって構成される
抵抗素子の抵抗値または温度係数を任意に選択すること
ができる。

【００１４】一般に、抵抗の抵抗値をR 、温度係数をα
とすると、その抵抗値R は絶対零度（T=0(K)）における
抵抗値R0を用いて次式のように表される。

【００１５】Ｒ＝Ｒ０＋αＴ例えば、常温付近（温度T=300(K)）におけるP 型拡散抵
抗層１２の抵抗値をRa _T=300=17(kΩ) 、温度係数をαa=
3000(ppm/K) 、微結晶シリコン抵抗層１４の抵抗値をRb
_T=300=25(kΩ) 、温度係数をαb=-2500(ppm/K)となるよ
うに設計すると、抵抗素子全体としての抵抗値（合成抵
抗） R_T=300は、温度T=300(K)で、 R_T= ₃₀₀=10.12( k
Ω) となる。通電後、発熱により動作温度が温度T=400
(K)まで上昇したとすると、P 型拡散抵抗層１２の抵抗
値は、Ra_T=400=17(kΩ) 、微結晶シリコン抵抗層１４の
抵抗値は、Rb_T=400=25(kΩ) となり、合成抵抗が R
_T=400=10.14( kΩ) となる。このように、温度変化によ
る抵抗値の変動の小さい、温度特性に優れた抵抗素子を
簡単に得ることができる。また、微結晶シリコン抵抗層
１４は、絶縁膜である酸化シリコン層１３を介さずに、
直接、P 型シリコン基板１０（N 型エピタキシャル領域
１１）上に形成されているため、微結晶シリコン抵抗層
１４への通電により生じる熱を効果的に放熱することが
できる。さらに、図１では、第１抵抗であるP 型拡散抵
抗層１２と、第２抵抗である微結晶シリコン抵抗層１３
とを並列に接続した実施例を示したが、それらを直列に
接続するように構成してもよい。

【００１６】図２及び図３に基づいて本発明の温度セン
サーの一実施例について説明する。図２は、温度センサ
ーの要部を示す断面図、図３はその回路図である。図２
に示すように、半導体基板であるP 型シリコン基板１９
上に形成されたN 型エピタキシャル領域２０の内部に、
不純物濃度または拡散温度を変化させることにより、抵
抗値Raまたは温度係数αa を調節したP 型拡散抵抗層２
１を形成する。また、P 型分離層２２を形成する。次
に、酸化シリコン層２３をN 型エピタキシャル領域２０
上に形成した後、微結晶シリコンを酸化シリコン層２３
の全面に成長させ、エッチングにより不必要な部分を除
去して、酸化シリコン層２３上に微結晶シリコン抵抗層
２４を形成する。次に、P 型拡散抵抗層２１の両端部上
の酸化シリコン層２３を除去してコンタクト２５，２６
を形成する。

【００１７】最後に、金属配線２７，２８，２９を酸化
シリコン層２３上に形成する。この時、金属配線２７が
コンタクト２５を介してP 型拡散抵抗層２１の一端に接
触するように、また、金属配線２８がコンタクト２６を
介してP 型拡散抵抗層２１の一端及び微結晶シリコン抵
抗層２４の一方の端部に接触するように、さらに、金属
配線２９が微結晶シリコン抵抗層２４の他方の端部に接
触するように構成する。

【００１８】以上に説明したように構成することによ
り、図２に示した温度センサーの回路は図３に示すもの
となる。図３では、P 型拡散抵抗層２１で構成される第
１抵抗３０と、微結晶シリコン抵抗層２４で構成される
第２抵抗３１との接続点を入力INとし、第１抵抗３０の
他端を出力A 、第２抵抗３１の他端を出力B としてい
る。このように構成して、例えば、入力INから電流を流
して、出力A ，B にあらわれる電流を比較して、正の温
度係数を有する第１抵抗３０の抵抗値と、負の温度係数
を有する第２抵抗３１の抵抗値の比を求めることによっ
て温度を計測することができる。この方法によれば、正
の温度係数を有する抵抗のみ、または、負の温度係数を
有する抵抗のみを利用したときよりも温度変化による抵
抗値の比の変化を大きくすることができるので温度セン
サーの感度の向上が図れる。

【００１９】例えば、図３に示した回路で、第１抵抗３
０及び第２抵抗３１の温度係数を、それぞれ、α1=1000
(ppm/K) 、α2=3000(ppm/K) 、温度T=300(K)での抵抗値
を、それぞれ、R1=10( KΩ) 、R2=10( KΩ) とすると、
出力比はR2/R1=1 である。通電に伴う発熱での温度上昇
により、温度T=400(K)になると、抵抗値がR1'=11(KΩ)
、R2'=13(KΩ) に変化するので、出力比はR2/R1=1.18
となる。従って、この場合は、1 から1.18という出力比
の変化があらわれることになる。

【００２０】これに対し、例えば、第１抵抗３０及び第
２抵抗３１の温度係数を、それぞれ、α1=3000(ppm/
K）、α2=-2500(ppm/K ）、温度T=300(K)での抵抗値
を、R1=10(K Ω) 、R2=10(K Ω) とすると、温度T=300
(K)での抵抗値の比は、R1/R2=1 である。これが、温度T
=400(K)になると、抵抗値がR1'=13(kΩ) 、R2'=7.5 (k
Ω) と変化するので、出力比がR1'/R2'=1.73となる。従
って、この場合は、1 から1.73という抵抗値の比の変化
があらわれることになる。すなわち、正の温度係数を有
する抵抗と負の温度係数を有する抵抗とを組み合わせ、
温度変化によるそれらの抵抗値の比の変化を捉える方が
感度の向上が図れる。

【００２１】なお、図１に示した実施例では、P 型拡散
抵抗層で構成される第１抵抗と、微結晶シリコン抵抗層
で構成される第２抵抗を並列に接続していたが、第１抵
抗と第２抵抗を直列に接続して、抵抗素子の温度係数を
任意に設定するように構成してもよい。また、温度セン
サーの一実施例を図２に示したが、図１に示した構成と
同様に、第１抵抗であるP 型拡散抵抗層上に第２抵抗で
ある微結晶シリコン抵抗層を形成すると共に、１つの金
属配線を追加して、図３に示した回路のように、P 型拡
散抵抗層、微結晶シリコン抵抗層に流れる電流を別々に
取り出すように構成してもよい。さらに、半導体材料の
導電型、コンタクト形状は実施例に限定されない。

【００２２】

【発明の効果】請求項１記載の抵抗素子によれば、正の
温度係数を有する単結晶半導体を用いた第１抵抗と、微
結晶半導体あるいはアモルファス半導体を用いた、負の
温度係数を有する第２抵抗とを、直列または並列に接続
したことにより、温度変化による抵抗値の変動率を任意
に選択することができ、広い温度範囲で抵抗値が安定な
半導体装置を得ることができる。また、低温プロセスで
形成することができるので、半導体装置の微細化に有利
である。

【００２３】請求項２記載の抵抗素子によれば、正の温
度係数を有する単結晶半導体を用いた第１抵抗と、微結
晶半導体あるいはアモルファス半導体を用いた、負の温
度係数を有し、第１抵抗上に形成される第２抵抗とを、
直列または並列に接続したことにより、第２抵抗の放熱
性を向上させることができると共に、温度変化による抵
抗値の変動率を任意に選択することができ、広い温度範
囲で抵抗値が安定な抵抗素子を得ることができる。ま
た、低温プロセスで形成することができるので、半導体
装置の微細化に有利である。

【００２４】請求項３記載の温度センサーによれば、正
の温度係数を有する単結晶半導体を用いた第１抵抗と、
微結晶半導体あるいはアモルファス半導体を用いた、負
の温度係数を有する第２抵抗とを組み合わせて、温度変
化による抵抗値の変動を積極的に利用することにより、
温度センサーの感度の向上を図ることができる。また、
低温プロセスで形成することができるので、温度センサ
ーの微細化に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の抵抗素子の一実施例を示す断面図であ
る。

【図２】本発明の温度センサーの一実施例を示す断面図
である。

【図３】本発明の温度センサーの一実施例を示す回路図
である。

【図４】従来の半導体装置の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１０，１９ P 型シリコン基板（半導体基板）１２，２１ P 型拡散抵抗層（第１抵抗）１４，２４微結晶シリコン抵抗層（第２抵抗）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、正の温度係数を有する
単結晶半導体で構成される第１抵抗と、負の温度係数を
有する、微結晶半導体またはアモルファス半導体で構成
され、前記第１抵抗と直列または並列に接続される第２
抵抗とを備えたことを特徴とする抵抗素子。
【請求項２】半導体基板上に、正の温度係数を有する
単結晶半導体で構成される第１抵抗と、負の温度係数を
有する、微結晶半導体またはアモルファス半導体で、前
記第１抵抗上に形成され、前記第１抵抗と直列または並
列に接続される第２抵抗とを備えたことを特徴とする抵
抗素子。
【請求項３】半導体基板上に、正の温度係数を有する
単結晶半導体で構成される第１抵抗の抵抗値と、負の温
度係数を有する、微結晶半導体またはアモルファス半導
体で構成される第２抵抗の抵抗値とを比較して温度変化
を検知することを特徴とする温度センサー。