Ich hab kürzlich auch ein Thermometer mit einem KTY 84 - 130 gebastelt.
Das ging an 5V mit einem 2,2k Ohm Vorwiderstand ohne OpAmp.
Ich krieg aber auch nur eine Auflösung von 1°C zusammen, weil ich bis 300°C messen will.

Ich hab die interne Referenzspannungsquelle des A/D Wandlers mit 2,56V verwendet und den obligatorischen 100nF Kondensator an AREF angebaut.
AVCC muss auch +5V Spannung angeschaltet haben, man sollte in die Zuleitung dieses Pins eine 10µH Drossel einbauen.

Wenn Du das auch so gemacht hast, sollte am AREF Pin eine Spannung von 2,56V anliegen.

Vor ein paar Tagen hatte ich auch einen ATMEGA8 an den ein A/D Eingang defekt war - Teste doch auch mal nen anderen Controller.
Die Spannung an diesem Pin ging bei einer Beschaltung mit einem 10kOhm Widerstand gegen +5V nicht hoch. Legte man dagegen satte 2,5V an, funktionierte auch der A/D Wandler. Der Pin war also irgendwie niederohmig.