JPS6057681B2 - 温度検出素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は温度検出素子にかかり、特に小型で応答特性
がよく、しかも精度の高い温度検出素子を提供しようと
するものである。

従来、温度検出素子として、半導体の電気抵抗が温度
に対し指数関数的に変化することを利用した、サーミス
タが用いられている。

最近、この種の温度検出素子が、マイクロコンピュータ
を塔載した各種の民生用機器に用いられつつある。 こ
の場合にサーミスタに要求されている事項を列挙すると
次のようになる。（１）安価である。

（２）特性が安定である。

（３）機械的に強固でかつ化学的に安定である。

（４）小型である。（５）より速い応答特性を有してい
る。

（６）任意の電気抵抗が得られる。

しカルながら、従来のサーミスタは、材料を主として
焼成という加工方法で製造されていたため、上記の条件
のうち特に高精度の素子を安価に製造し供給することが
困難であるという欠点をもっている。

本発明は、感熱要素として炭化珪素膜を使用し、その
支持基体として半導体基体を使用することによつて、従
来のサーミスタにあつた欠点を除去することができたも
ので、安価で精度の高いサーミスタを実現することがで
きたものである。

以下、その詳細について説明する。第１図は、本発明に
かかる温度検出素子の基本的な構成を示す。

これは、支持基体としての半導体基板１上に、感熱性抵
抗膜としての炭化珪素膜２が形成されており、さらに炭
化珪素膜２上に一対の電極３，４が設けられている。こ
の素子の製造方法の一例を述べる。

まず、半導体基板１の表面を研摩してから、スパッタリ
ング蒸着法で２〜５μｍの厚さの炭化珪素膜２を形成す
る。次に、炭化珪素膜２上にクロムと金を順次電子ビー
ム蒸着法で蒸着し、それをホトリゾグラフイ法でピッチ
、線巾１０μｍの櫛歯状に形成して、電極３，４とする
。炭化珪素膜３をスパッタリング蒸着法で形成すると、
それが原子的な過程で形成されることになるので、本質
的にその化学的な組成が非常に均一になる。

このため、抵抗率やサーミスタ定数のばらつきが本質的
に小さくなり、従来の焼結法で作られたサーミスタに比
べてきわめて均質なものとなる。従来のこれに類似した
構造の素子では、半導体の感熱性抵抗膜中に測定電流が
集中するように、通常、電気絶縁性基板が用いられてい
た。

しかしながら、電気絶縁物は一般に熱伝導の悪い材料で
あるため、絶縁基板を使用した温度検出素子の熱応答は
あまりよいものであるとは言えなかつた。ところが、発
明者らは、適当な半導体基板を用い一ると、実験前に予
想されたことと全く反対に、測定電流の基板へのもれが
なく、半導体基板の熱伝導のよさを利用することにより
、熱応答の速い温度検出素子が得られることを発見した
。発明者らは、この種の半導体基板として、電気．抵抗
率，材料の機械的強度，耐熱性，耐蝕性さらに、炭化珪
素膜との付着性などを考慮した結果、実用上単元素半導
体、例えば、シリコン，ゲルマニウム，あるいは、化合
物半導体として、酸化物，炭化物窒化物，たとえは酸化
チタン，炭化珪一素，窒化アルミニウムが有効であるこ
とを見出した。

これらの材料は、結晶であつても、あるいは多結晶焼結
体であつてもよい。さらにこれらの複合化合物であつて
もよい。この場合、炭化珪素からなる感熱性抵抗膜と上
記半導体基板との電気抵抗率ρに最適の範囲があること
を発見した。

感熱抵抗膜の抵抗率ρ１として の範囲が、また半導体基板の抵抗率ρ２として、の範囲
であれば、基板が電気絶縁物たとえば耐熱性ガラスであ
る場合と、サーミスタ特性が一致す・る。

具体的に実験例で示すと、サーミスタ定数すなわちＢ定
数が２００℃で３０００（０Ｋ）、２５℃で２１００（
′Ｋ）、−１００℃で１６００（′Ｋ）の値が得られた
。これは炭化珪素膜固有の特性である。上記炭化珪素膜
の抵抗率ρ１は必すしも上記半導体基板の抵抗率ρ２よ
り低くなければならないということはないが、炭化珪素
膜の抵抗率ρ１が１σΩｄより高い場合、あるいは、半
導体基板の抵抗率ρ２が１０−４Ωｏより低い場合、炭
化珪素膜を流れる電流が半導体基板中にリークし、炭化
珪素膜固有の特性が得られないことを実験により確認し
た。

炭化珪素膜の抵抗率ρ１が１０Ωｏより低いときには、
そのサーミスタ定数が小さくなり、実用的でない。半導
体基板の抵抗率Ｐ２が１σΩｄよりも高くなると、その
熱伝導性が悪くなり、素子の熱応答速度が遅くなる。基
板に１０Ω０の材料を用いたときと、１（７１′Ωｄの
材料を用いたときとでは、熱応答速度は１桁程度異なる
。実用上は、基板材料にたとえば抵抗率１〜１００Ωｏ
のシリコン基板を用いるようにすれば、これは一般の半
導体集積回路用材料として安価に入手することができる
ので、経済的である。半導体基板２は、温度検出素子と
して応答時間を短くするために、薄ければ薄いほど望ま
しい。

しかし、極端に薄くすると、炭化珪素膜の大きな歪応力
により破損する。そのため、炭化珪素膜と半導体基板と
それぞれの組み合せに最適の厚み範囲がある。すなわち
、半導体基板の厚さとしては１ｍから０．０５Ｔ！ｎの
範囲，炭化珪素膜の厚さとしては０．５μｍから２０μ
ｍの範囲がよい。上記範囲外の場合、たとえば炭化珪素
膜の厚さ０．５μｍより薄いときには長期安定性に欠け
るために実用的でない。一方、それが２０μｍよりも厚
くなると、その応力が増加し、基板との剥離、または基
板の反りや破損が生ずるために実用的でない。さらに、
半導体基板が１７ｇ！よりも厚くなると、熱応答が遅く
なり、０．３７ｍ程度の厚さのガラス基板を使用したと
きとほとんど同等になるので、その厚さは１顛以下であ
ることが望ましい。ところが、半導体基板の厚さが０．
０５ｗｒ！ｎより薄くなると、炭化珪素膜の大きな歪に
より破損しやすくなる。その取り扱いの容易さ、熱応答
性などを考慮すると、薄くても０．１７ｍ１熱応答性な
どを考慮すると、厚くて０．３顛の範囲が特によい。こ
の場合、熱応答速度が１０ミリ秒以下になり、上述した
ガラス基板を使用したときに比べると１１１０以下にな
る。第２図は本発明の一実施例の構造を示し、同図Ａは
平面図であり、同図ＢはそのＸ−Ｘ″断面図である。

これは、電極構造を櫛歯状とした例である。すなわち、
図において、１１は半導体基板、１２は炭化珪素膜、１
３，１４は電極である。第３図は本発明の他の実施例の
構造を示し、同図Ａは平面図であり、同図ＢはＹ−Ｙ″
断面図である。これは、上記実施例では炭化珪素膜上に
一対の電極を設けているのに対して、炭化珪素膜の両側
に電極を配置した構造をしている。すなわち、図におい
て、２１は半導体基板、２２は炭化珪素膜、２３，２４
は電極である。電極２３は半導体基板２１と炭化珪素膜
２４との間に配置されており、その櫛歯部分が電極２４
の櫛歯部分の中間部分に位置するよう、炭化珪素膜２２
上に設けられている。電極材料としては金や白金，パラ
ジウム，ロジウム，ニッケル，クロムなどの耐蝕性材料
、またはそれらの合金を使用するのが好ましい。

これら材料で電極を構成することによつて、安定なサー
ミスタ特性を得ることができる。第４図は本発明のさら
に他の実施例の構造を示す断面図てある。

これは、半導体基板３１と炭化珪素膜３２との間に一方
の電極３３を設け、炭化珪素膜３２上に他方の電極３４
を配置したものである。このように、電極３３，３４を
炭化珪素膜３２を挾んて配置することにより、炭化珪素
膜３２に高い電界が印加されることになるので、高抵抗
な炭化珪素膜３２を使用するときに、この構造は有効で
ある。第５図は本発明の他の実施例の構造を示す断面図
である。

これは、半導体基板４１上に炭化珪素膜４２，４３を積
層したもので、その間に一対の電極４４，４５が配置さ
れている。前記電極４４，４５の形状を櫛歯状としても
よいことはいうまでもないことである。このように炭化
珪素膜を二層構造とし、その間に電極を設けることによ
り、電極の破損がなくなる。電極の厚みとして、耐蝕性
，作製上の問題を考慮すると、５００Ａから２０μｍの
範囲が最適であり、その構成が櫛歯状である場合には、
そのピッチは１μｍから５００μｍ程度が実用的である
。

炭化珪素膜と電極との接着性が悪いときには、電極を炭
化珪素膜に強固に接着するために接着層を用いればよく
、これによつて再現性よく、本発明にかかる温度検出素
子を作製することができる。第６図にその構成の一例を
示す。すなわち、これは、半導体基板５１上に炭化珪素
膜５２を形成し、さらにその上に電極５３，５４を接着
層５５，５６を介して取りつけたものである。この接着
のための材料としては、クロムやニッケル，チタン，ジ
ルコニウム，アルミニウム，またはそれらの合金が適し
ている。なお、接着層は２００Ａから１０００Ａの厚さ
であるとき、接着強度は十分な大きさとなる。なお、こ
のスパッタリング蒸着を用いると、蒸着膜は原材料が原
子的過程をへて形成されるから、その化学組成が本質的
に超均一であるとうう特色がある。このためサーミスタ
特性例えばサーミスタ抵抗，サーミスタ定数の製造工程
におけるバラツキが本質的に、従来の焼結プロセスで形
成されたサーミスタより小さい。以上説明したように、
これまでの薄膜構造の温度検出素子では、感熱性抵抗膜
を保持する基板が電気絶縁物であるが、または少なくと
も感熱抵抗膜の抵抗率が基板の抵抗率より小さい場合で
ないと、感熱性抵抗膜中の測定電流が基板にリークし、
実用にならないと考えられていた。

しかるに、発明者らの検討の結果によれば、基板は半導
体でよく、しかもその基板の抵抗率が、従来の通念とは
異なり、必ずしも感熱抵抗膜の抵抗率より大きくなけれ
ばならないということはない。この理由の詳細は明らか
でないが、半導体基板たとえｌばシリコン基板と感熱抵
抗膜として用いている炭化珪素膜との界面に高抵抗層が
存在し、これにより、上述したリーク電流が抑制される
ためではないかと考えられる。そして、本発明にかかる
温度検出素子では、熱伝導性のよい半導体基板上に直接
感熱性抵抗膜が積層されているため、絶縁物基板たとえ
ばガラス基板を使用したときに比べると、基板から感熱
性抵抗膜への熱伝導がよい。

したがつて、本発明にかかる素子を被温度計測体表面に
貼りつけたときには、その熱応答は一桁程度速くなる。
さらに、一つの大きな半導体ウェハ上にスパッタリング
蒸着法で炭化珪素膜を形成し、それから１ｍ×１？の大
きさの素子を同時に多数個形成すれば、量産性が非常に
高くなる。

ウェーハ内の素子の特性のばらつきを減らすには、炭化
珪素膜の膜厚を均一にすることが当然必要である。これ
は、スパッタリング蒸着装置の構造面から解決すること
ができる。さらに、そのばらつきを小さくするためには
、スパッタリング蒸着中のウェハの温度分布をなくすこ
とも重要である。この場合、ウェハの温度分布は、半導
体の方が絶縁物より均一化されるので、高精度の素子を
容易に大量生産することができる。具体例をあけると次
のとおりである。

温度範囲 −１００〜４５（代）抵抗値
１×１σ〜１×１σΩ 抵抗値の精度 く１．５％ サーミスタ定数 −１００〜０℃で１６００Ｋ０〜１
００定Ｃで２１００Ｋ１００〜４５（代）で３４００Ｋ サーミスタ く０．５％ 基板材料としてガラスをはじめとする絶縁物を使用した
場合、炭化珪素膜の抵抗のばらつきは±１０％程度発生
する。

ところが、シリコンをはじめ．とする半導体材料を使用
すると、炭化珪素膜の抵抗のばらつきを±１％以内とす
ることもできる。以上説明したように、本発明にかかる
温度検出素子は、半導体基板上に炭化珪素膜が形成され
ているので、半導体基板の熱伝導性がよいため、応答性
が速い。そして、炭化珪素を感熱材料として使用し、こ
れを薄膜化しているため、特性が安定で、小型化するこ
とができる。現在の量産品ではそのサーミスタ抵抗やサ
ーミスタ定数のばらつきが±２０％程度であり、工業計
測用の素子にはそれらが±５％以内の素子を選別して使
用している。”これに対して、本発明によれば、サーミ
スタ抵抗が±１．５％以内で、サーミスタ定数が±０．
５％以内の素子を、選別操作をすることなく、量産する
ことができる。そして、本発明の素子は、非常に小型で
あるために機械的強度が大きく、家庭電化製品としてだ
けでなく、工業計測用としても使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる温度検出素子の基本的構成を示
す断面図である。 第２図はその一実施例の構成を示し、図Ａは平面図、図
Ｂは図Ａｆ）Ｘ一ｘ″線に沿つた断面図である。第３図
は他の実施例の構成を示し、図Ａは平面図、図Ｂは図Ａ
Ｏ）Ｙ−Ｙ″線に沿つた断面図である。第４図および第
５図はそれぞれさらに他の実施例の構成を示す断面図、
第６図は電極構造の具体例を示すための素子要部断面図
である。１，１１，２１，３１，４１，５１・・・・・
・半導体基板、２，１２，２２，３２，４２，４３，５
２・・・・炭化珪素膜、３，４，１３，１４，２３，２
４，３３，３４，４４，４５，５３，５４・・・・・・
電極、５５・・・・・・接着層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板と、この基板上に形成された炭化珪素膜
   と、この炭化珪素膜に付与された電極とを有することを
   特徴とする温度検出素子。 ２ 半導体基板上の炭化珪素膜の表面に電極が設けられ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   温度検出素子。 ３ 半導体基板と炭化珪素膜との間に電極が設けられて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の温
   度検出素子。 ４ 半導体基板と炭化珪素膜との間に一方の電極が、ま
   た前記炭化珪素膜上に他方の電極がそれぞれ設けられて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の温
   度検出素子。 ５ 半導体基板と炭化珪素膜との間に一方の電極が介在
   しており、前記炭化珪素膜上に選択的に他方の電極が設
   けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の温度検出素子。 ６ 半導体基板上の炭化珪素膜中に対をなす電極を有す
   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
   検出素子。 ７ 抵抗率が１０＾−＾４〜１０＾３Ωｃｍである半導
   体基板上に炭化珪素膜を有す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、第４項、第５項また
   は第６項に記載の温度検出素子。 ８ 炭化珪素膜の抵抗率が１０〜１０＾５Ωｃｍである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の温度検
   出素子。