JPS58100472A - 温度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 方法にかかり、特に高精度で、しかも応答速度が速く、
均一な特性？有する縮小形＆度センサ企提供しようとす
るものである。

現在、温度センサとしてサーミスタが広く使われている
。しかしながらサーミスタには、精度が低いこと、応答
速度が遅いことなど改善すべき問題点が残されている。

これらの実用上の問題点を解決しようとして、たとえば
特開昭５６−２９１３０号などにおいて孔を有する板状
の支持基体上に薄膜感熱体を有する温度センナが提案さ
れている。

本発明は、薄層が基板によって空間に保持された構造を
有する＠変センサに関するものであり、従来の＠変セン
サに比べて、精度、応答速度が一段と向上されるだけで
なく、本発明の製造方法によれば、均一な特ａ２有する
縮小形＠度センサを歩留よく製造することができる。

以下に本発明の実施例を図［１ｉ１ｉ会用いて説明する
。

第１図（４）〜鋤は本発明の温度センチの第１実線例を
示すものである。図（８）はその上面図１図ω）は図（
への１−１′における断面図、図ｑは同じく図（へのｎ
−ｎ’における断面図、図（至）は下面図である。

図に示すように、たとえばｐ＋形シリコン薄層１がｎ形
のシリコン基板２′、２！／間に架橋されている。

薄層１には電極３′、３“が形成されている。４は支持
体であり電極３′、３“間で薄層１の電気抵抗を測定す
るときに影響を及ぼさないことが必要であり、高抵抗率
の材料で構成されていることが望ましい。

第２図（八〜（ｑは本発明の温度センナの第２の実施例
を示すものである。図（八はその上面図、図（ロ）は図
（へのＩ　−ｒ’における断面図、図（ｑは口開のＨ−
■′における断面図である。前記第１の実施例との相異
は、薄層１の上部に、たとえばＳ　ｉ０２膜が形成され
ている点である。このＳ　ｉＯ２膜は機械的強度を強く
する効果、すなわち基板の幅Ｗが狭く、薄層が薄いとき
に有効であるだけでなく、後述のエツチングに対する保
護膜として用いることも可能である。第１図、第２図に
示した実施例において、薄層１の幅Ｗを第１１四、（Ｃ
）に示すように基板３′、　ｇ／と同じにすることも、
第２図（八、　（Ｃ１に示すように狭くすることもでき
る。形状としては矩形だけではなく曲折したパターンで
ありてもよいのはいうまでもない。第２図の実施例はＳ
　ｉ０２膜ｓ′、ｍ’の下部には薄層１が形成されてい
ない場合の例である。

なお第１図と第２図にお込て、同一の番号のところは同
一機能を有する。導電形に関しては、ｐ形とｎ形が逆に
なっても本質的な作用効果が異なることはない。同一導
電形でありてもよい。

第３図（５）、＠は本発明の温度センサの第３の実権例
を示すものである。図（八はその上面図、図（Ｂ）は図
（３）のＩ−１’における断面図である。図に示すよう
に、環状の基板１とその内側の基板２′との間に薄層１
が架橋された構造になっている。

以上３つの実施例に示した以外にも本発明の主旨と損わ
ない範囲において各種の変形が考えられることはいうま
でもな−い。

また第１図〜第３図に示したのは薄層および基板材料と
してシリコンを用いた場合で、かつ薄層の電気抵抗の温
度による変［ヒを利用する温度センサの実施例である。

半導体材料の導電率σの温度依存性は周知のように第４
図に示すようになる。導電率σは不純物量Ｎと移動度μ
の関数である。第４図において、領域■は不純物伝導領
域であり、温度が上昇するとともに導電率σが大きくな
る。領域■は通常、半導体素子が動作している領域であ
る。この領域では移動度μが温度の増加とともに減少す
る効果が優勢になるために、導電率σが減少する。

領域■は真性伝導の領域である。第５図は公知の具体例
を示し、大部分が領域■に相当している。

・　図において実線はｎ形シリコン中にイオン注入法に
よりｔイオンと注入した場合、点線は拡散法によりｐ形
抵抗領域を形成した場合の例であ嘔、パラメータは表面
抵抗の値である。したがって、薄＠１の電気抵抗Ｒと＠
度との間には、たとえば第６図に示すような相関関係が
存在しているので、Ｒを測定することにより温度を検知
することができる。

抗が７．６にΩ／口になるようにイオン注入法で形成し
た場合、０℃以下では温度に対する相関関係が複雑にな
る。このような場合でも抵抗Ｒの＠度依存性をあらかじ
め記憶手段に記憶させ、必要なときにそれらの値を読み
出して実測のＲと比較することにより、温度を高精度に
測定することができる。０℃以上の＠度についても同様
なことが実施できることはいうまでもない。また抵抗値
そのものではなぐ、電圧などの他の値に変換された＠と
用いて比較してもよいことはいうまでもない。

＠６図は本発明の＠度センサの第４の実施例を示すもの
で、第２図に示した実施例の変形であり、ｎ形の薄層の
中にｐ影領域６を別途形成した場合の例である。このと
きには表面抵抗を別途制御できるという特徴があるｏ３
’、：ｉ′部分の下部にあらかじめり影領域を形成した
のち、Ｓ　１０２膜を介してイオン注入法によってｐ影
領域６と形成することもできる。第７図は第６の実施例
を示すもので、第６図に示した実施例の変形である。こ
の実施例の場合は、ｐ影領域６がｐ＋形領領域７１、７
１／を介してｐ＋形基板２’、／’に接続されている。

したがって第６図の電！３’、１’を設けることは必ず
しも必要ではなくなるが、り影領域７−　、１′の上部
に電極３′、ゴ′を設けてもよい。その場合にはｔ形基
板２”、／’とが接続されることは必ずしも必要でない
。第７図に示した実施例の場合には、ｐ影領域６の電気
抵抗は〆形基板２′、　２／　ヲ介して測定される。

第２図の実施例の変形として示した第６図、第７図の実
施例は、第１図、第３図の実施例に月しても適用するこ
とができるのはいうまでもない。

さて、以上に述べたのは半導体材料の導電率の温度依存
性を利用する実施例についてであるが、つぎに薄層１内
に形成されたｐ１接合素子の端子間特性の温度依存性を
利用する実施例について示す。

第８図（８）、中）はそれぞれ本発明の温度センサの第
６、第７の実施を示すもので最も単純な構成の一例であ
り、ｐ影領域８とｎ影領域１との間でｐＴＬ接合ダイオ
ードが形成されている。３′、キはそれぞれの領域とオ
ーム接触を有する電極である。第８図（Ａ）　、　（Ｂ
）に示した実施例に関しては本発明の主旨を損わない範
囲において種々の変形が考えられることはいうまでもな
い。

ｐ影領域８とｎ影領域１との間の電極端子間に１０μ八
程度の順方向電流を流した状態での温度依存性は第９図
に示すようになる。端子３′、ハ′間の端子間電圧は１
温度２００℃以下では、温度とともに一定の割合で減少
する。第９図の関数系をあらかじめ記憶手段に記憶させ
、必要なときにこれらの値を読み出して実測値と比較す
ることにより、温度を高精度に測定することができる。

本発明の特徴の一つである応答速度の速い温度センサを
実現するためには、たとえば第１図に示した実施例につ
いていうと、薄層１．基板２′、！および支持体４の熱
容量が小さいことが好ましい。

そのためには各部分の寸法は製造可能なかぎり小さいこ
とが好ましい。支持体４に穴４′を形成することも有効
である。実際の使用状態においては電極３′、３“に接
続されたワイヤにより全体を空中に保持することができ
れば好ましい。またワイヤを支持体上に設けた電極から
取り出すなどの各種の変形が考えられるのは言うまでも
ない。

第１０図（八、（Ｂ）は本発明の温度センサの第８の実
権例を示す。図（へはその上面図、図（Ｂ）は図（への
１−１′における断面図である。薄層１が絶縁物６によ
り保持され、しかもそのＴ部妙Ｓ空洞１１とな・りてい
る点が先の実施例と異、りている。ｇ′、　ｃＪ／は電
極３′、ゴ′を薄層１に接続するためのコンタクト窓で
ある。基板２の部分が第８図に示したようにｐ形基板上
にｎ形エピタキシアル層が形成された構成の場合には通
常のＩＣ基板と全く同一であるからエピタキシアル層内
に演算処理部や記憶部などと形吠することも容易である
。第１０図（６）、（Ｂ）に示した実施例の場合にはス
クライビング、ワイヤボンデングなども通常のＩＣと同
様に行うことができる。また薄層１も空洞１１内に形成
されるので風などの影響もうけにぐｈｏ ＠１１図は本発明の温度センサの第９の実施例を示す。

薄膜１の一端部は基板２′と一体「ヒしており、ここで
はコンタクト窓９′を介して電極３′に接続されている
。あるいは電極３′を基板２′側から取り出してもよい
。薄層１は絶縁物膜６により保持されていてコンタクト
窓ｃｉｌを介して電極２′に接続される。この場合には
熱容量が小さくなりた分だけ応答速度が向上する。

つぎに本発明の温度センサを得るための製造方法につい
て述べる。

薄層１および基板２′、ｌを構成する材料としてシリコ
ンを用いる場合の例について説明する。

たとえば、エチレンジアミン・ピロカテコールの水溶液
（１７ｍｌエチレンジアミン、８ｍｌ水、３ｙピロカテ
コール）によってボロンを含むシリコンのく１ｏＯ〉方
向のエツチング速度は、ボロン濃度が、２　Ｘ　１０”
Ｃｍ＝〜５　Ｘ　Ｉ　Ｑ”ｃｙｚ　’　　（抵抗率：１
σ１〜１０２Ω−ｃｍ　　）の範囲ではほぼ５０μｍ／
ｈｒと一定値を示すことが承られそいる。

く１０ｏ〉シリコンを１度角度研磨したサンプルを前記
エツチング液で１０分間エツチングしたときのエツチン
グ深さを観測すると、シリコン中で眠気的に活性なボロ
ン原子の濃度が、７　Ｘ　１０１９ｃｍ　’　−以上に
なると急激にエツチング速度が遅くなることが知られて
いる。この限界濃度以下の場合にはｐ形、ｎ形ともに、
はぼ一定速度のエツチングが行なわれることも知られて
いる。

本発明の製造方法は以上に述べた現象？利用することに
よ、って効果的に実施できる。第１図を用いて、具体的
に述べる。薄層１が７×１ｏ１９ｃ、、；３以上のボロ
ン濃度を有していることが必要であって、基板２′、／
’がｎ形であることは必ずしも必要ではない。したがっ
て、２′、ｚが７Ｘ１０ｃｍ以下のボロ／濃度と有する
ｐ形でありてもかまわない。

第１図ｐに示すように穴４′ヲ有する支持体４上ｐ４形
薄層１が形成されたｎ形シリコン基板を接着する。支持
体としてはシリコンのエツチング液に対して耐食性を有
し、しかも高抵抗率の材料、たとえばアルミナなどで構
成されていることが好ましい。また第１図（Ｂ）には図
示してｂないが、支持体４と基板との間、たとえば２１
１２２１ｔｐｌの部分に、゛　エツチングを実行する以
前に、あらかじめＳｉｏ２膜などの耐食性の被膜を形成
しておいてもよい。

Ｓ　ｉ０２膜はほとんどエツチングされなｈので、穴４
′側からシリコン基板を工・ンチングしたときに、異方
性エツチングにより２”’、　２″″の上部のシリコン
基板２′、コ′が選択的に残される。

接着状態によって２″、　ｆ’　の部分を規定してもよ
いし、基板の幅Ｗが穴４の幅Ｗ′よりも狭くなるように
してもよいことはいうまでもない。

さて、他の実砲例について第２図を用いて説明する。１
０６〜１１６℃の前記エツチング液（７６ｍｌエチレン
ジアミン、２４ｍ１水、１２ｙピロカテコール）中で、
＜１００＞方向のｐ形シリコン基板中に不純物としてリ
ンが拡散された薄層１に、電極３′あるいはば′を介し
て正の電圧を印加し、前記エツチング液中の白金電極に
負の電圧を印加して、すなわち電極間に０６ｖ８度の電
圧を印加した状態でエツチングすることによりｎ形薄層
１を残して、ｐ影領域のみをエツチングすることができ
る。

たとえば厚さ１μｍ以下の薄層を８度よく形成すること
ができる。このときのｐ形のエツチング速度は１．２５
−１．７６μｍ分であることが知られている。このとき
ｎ影領域は６λ／分以下しかエツチングされないことも
知られている。このとき第２図（Ｂ）に示すように、ｐ
形シリコン基板のエツチングの実行に先だ、りて、たと
えばＳ　ｉ０２膜６“／、６”″を選択的に形成してお
くことＫより、ｐ形基板２′。

ｆを選択的に残してエツチングと終了することができる
。

ところで、第２図（８）に示すように、ｎ形シリコン薄
層１の幅Ｗは第１図（への場合に比べて狭くなっている
。このような構造を実現するためには、前記のエツチン
グを実行する以前に、６’、ＥＩ’部分の下部の薄層部
分をあらかじめｐ形に変換しておくことが必要である。

あるいは、前記のエツチングを実行する以前に、５′、
Ｅ１′１゛のＳ　ｉ０２膜とその下部のｎ杉薄層部分と
をあらかじめ除去しておくことが必要である。そのとき
には第２図（ｑにおいて、ｓ′、ｄ’部分が除去された
構造になる。以上の説明からも明らかなように不純物濃
度だけではｑ＜、エツチングで残されるパターンによっ
ても抵抗＠を適宜設定できる。

たとえば、第１図に示した電極３′、ぎは前記エツチン
グを実行する以前に形成してもよいし、エツチング終了
後形成してもよい。あるいはシリコンをエツチングする
際に塗膜で被覆しておいて、エツチング終了後除去する
ようにしてもよい。

たとえば、第２図においては図示されていないが、たと
えば２゛あるいはｆの上部のｎ形薄層部分１′、１“に
通常のＩＣ回路、あるいは記憶素子などを形成してもよ
いことはいうまでもない。

ただし、そのときには当然ながらＩＣの動作限界温度以
上の温度を検知することは不可能になる。

また、以上に述べた実施例はシリコンについて示してい
るが、ＧａＡｓなどの他の半導体材料、あるいは誘電体
材料を用いても本発明を実施することができる。薄層部
分の厚みが異るように形成してもよい。

以上の説明からも明らかなように、本発明の温度センサ
は通常のＬＳＩ製造に用いられている微細加工技術を用
いて製造できるので、超小型であり、寸法精度などの均
一性も非常にすぐれている。

その結果、高精度になるだけでなく、形状１寸法２小さ
くしたことによる熱容量の低下によって、熱応答連間が
大幅に改善された。たとえば第１図に示すように感熱部
分である薄層１を基板２′、２゛間に架橋させて、空中
に保持する構造にしたことは応答速度の改善に大きく寄
与している。

これにより、瞬間的な温度の変「ヒも検知できることに
なった。このとき、温度変ｒヒによって発生した薄層部
分の変［ヒの状態をいったん記憶させ、しかるのち、あ
らかじめ記憶させておいたデータと比較することによっ
て、そのときの瞬間的温度電比の状態を検知することも
できる。

本発明の温度センサを用いれば、測温体の＠度を接触あ
るいは非接触状態で測定することができる。測温体が気
体、液体、固体のいずれの状態であっても測温できるの
で実用性の非常に高いものである。さらにつけ加えれば
、本発明のセンサを線状あるいは面状に配列させた状態
で用い、それぞれの位置における＠変を検知させること
もてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図（８）〜何は本発明の温度センサの第１の実施例
を示すもので、このうち図（八は上面図、図（Ｂ）は同
図（８）のＩ−１’における断面図、図（ｑは同図（八
〇ｎ−ｎ’における断面図、図ｐは下面図である。 第２図（５）〜（ｑは同温度センサの第２の実施例を示
すもので、このうち図（８）は上面図、図（Ｂ）は同図
（８）の１−１’における断面図、図（ｑは同図（５）
のｎ−ｎ’における断面図、第３図＾、（Ｂ）は同温度
センサの第３の実施例を示すもので、このうち図（〜は
上面図、図（Ｂ）は同図（〜のＩ−１’における断面図
である。 第４図、第５図および第９図は同温度セ／すの作＃Ｊを
説明するための図で、このうち、第４図は半導体材料の
導電率の温度依存性を示し、第６図は薄層の電気抵抗の
温度依存性を示し、第９図は端子間電圧の温度依存性を
示す。第６図は同温度センサの第４の実施例２示す断面
図、第７図は同温度センサの第６の実施例を示す断面図
、第８図（８）。 （ト）はそれぞれ同温度センサの第６．第７の実施例を
示す断面図である。第１０図（８）、＠は同温度センサ
の′第８の実施例と示すもので、このうち図（Ａ）は上
面図、図中）は同図（至）の１−１’における断面図で
ある。第１１図は同温度センサの第９の実施例を示す上
面図である。 １・・・・・・薄層、２．コ′・・・・・・基板、３′
、ｚ′・・・・・・電極、４・−・・・・支持体、４′
・・・・・・穴、６・・・・・・絶縁物膜、９’　、　
ｇＰ′１１１１＠１１＠ＩＩコンタクト窓、　１０　＠
１１１１１１・・エツチング用穴、１１・・・・・舎空
洞。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２ｖ！Ｊ 第３図 ’／Ｔ　（’Ｎ） 第５図 第７図 第８図 第９図 う逼（廣（°Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）薄層が空間に保持された構造を有し、かつ前記薄
   層の温度を検知する手段を有することを特徴とする温度
   センナ〇 （２）温度を検知する手段が薄層の眠気抵抗の温度によ
   る変［ヒあるいは薄層内に形成されたｐ１接合素子の端
   子間特性の温度による変「ヒを利用することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の＠度センサ。 （３）薄層の電気抵抗の温度による変ｒヒの状態あるい
   は薄層内に形成されたｐ’ｎ接合素子の端子間特性の状
   態、あるいは前記変ｆヒの状態と一定の相開を有する変
   化の状態をいったん記憶手段に記憶させ、しかるのち前
   記変ｒヒの実測値と前記記憶手段に記憶させた変化の状
   態の記憶値とを比較することにより温度を検知すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項あるいは第２項に記
   載の温度セ／す。 （４）薄層が線状あるいは面状になるように複数個配設
   させることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   温度センサ。 （６）薄層と薄層を空間に保持するための基板とがシリ
   コンで構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項、第２項、第３項あるいは第４項に記載の温度セ
   ンサ。 （６）薄層が不純物として７×１０　濡　以上のボロン
   を含むことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の
   温度センサ。 （７）薄層と基板とが互いに異なる導電形であることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の温度センサ。 （８）薄層が基板中への不純物の熱拡散またはイオン注
   入された層、または基板上へのエピタキシアル成長層で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第６項、第６項あ
   るいは第７項に記載の温度センサ０ （＠　薄層上に薄層の眠気抵抗に比べて高抵抗である膜
   が形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項あるいは第６項に記載の温度センサ。 （１０）基板が薄層の眠気抵抗に比べて高抵抗である支
   持体上に接着されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項あるいは第５項に記載の温度センサ〇 （す）支持体が開孔部を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１０項に記載の年度センサ。 （１２）薄層が形成された基板の一部を選択的にエツチ
   ングすることにより、薄層が基板により空間に保持され
   た構造とする工程を有することを特徴とする温度センサ
   の製造方法。 （１３）基板全開孔部を有しかつ基板のエツチング液に
   対して耐食性を有する支持体上に接着させたのち、開孔
   部を通して基板を選択的にエツチングによ１シ除去して
   支持体上に基板の一部分を残すことにより、その基板に
   よって薄層が空間に保持された構造とする工程を有する
   こと′ｆ：特徴とする特許請求の範囲第１２項にａｃ載
   の温度センサの製造方法。