JP3701286B2 - 半導体ブリッジダイ、半導体ブリッジ起爆装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火素子として半導体ブリッジ（ＳＣＢ）を用いる電気起爆装置、それを構成する半導体ブリッジダイ、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軍事兵器システムおよび自動車用エアバックシステムは、典型的には、電気起爆装置（ＥＥＤ）によって活性化される。ＥＥＤは、通常、小さい金属ブリッジワイヤを用いて、含有する起爆性混合物を点火する。典型的には約１アンペア〜約７アンペアの範囲の電流がこのブリッジワイヤに流される。内部抵抗により、このブリッジワイヤは約９００°Ｋを上回る温度まで加熱される。この加熱されたブリッジワイヤによりエネルギ粉末が点火され、導火線を始動し、この導火線がシステム中の推進薬または爆薬を点火する。このシステムは、火工品の混合物、推進薬、または爆薬を組込んでいてもよい。
【０００３】
ブリッジワイヤタイプのＥＥＤを用いた場合の問題点は、外部で発生された電流に対して敏感であることである。電波、静電気、電光またはレーダ等の源からの高レベルの電磁エネルギは、不所望で早すぎる点火を引起こすのに十分な電流をブリッジワイヤ内に誘導し得る。
【０００４】
電気起爆装置のための半導体ブリッジの発明は、ホランダー・ジュニア（Hollander, Jr.）による米国特許第3,366,055 号に開示されている。ＳＣＢを製造するために用いられているすべての現在の材料を含むいくつかの実施例がホランダーによって記載されている。ホランダー・ジュニアによって記載されたような半導体ブリッジ回路は、電流が与えられると導火線内で起爆反応を開始させる。ＳＣＢ回路では、誘導電流によって受ける影響が大幅に低減され、したがって、不慮のまたは早すぎる点火の可能性が低減される。
【０００５】
半導体ブリッジ回路は、シリコン等の半導体材料上に形成される回路を含む。リン等のｎ型ドーパントが高濃度にドープされたシリコン領域は、十分なアンペア数の電流が与えられると気化する。シリコンの蒸気は電気的に加熱され、隣接するエネルギ粉末の混合物に浸透する。局部的な対流および凝縮によって、エネルギ粉末はその点火温度まで加熱され、所望の起爆反応が開始される。
【０００６】
図１は、先行技術において既知の半導体ブリッジ回路１２のためのＥＥＤ１０の断面図である。ハウジング２０は、シリコン等の半導体材料からなる半導体装置１２を収容する。ＳＣＢ装置は、しきい値電流が与えられると気化する高濃度にドープされたブリッジ１３を含む。導火線ハウジング２０によって、ブリッジ１３はアジ化鉛等のエネルギ粉末の装填１４に近接して配置される。ＥＥＤ１０は、セラミックヘッダ１８を貫通する１対の金属フィードスルーリード１６を含む。従来のガラス−金属封止によって、フィードスルーリード１６はヘッダ１８に接合される。たとえばアルミニウムからなる金属ケーシング２０は、セラミックヘッダ１８および装填ホルダ２２を囲む。ワイヤボンド２４は、１つのボンディングパッドがブリッジの各側に配置されダイの表面上のリードワイヤに接続する状態で、半導体ブリッジ装置１２の表面の互いに対向する側にそれぞれ形成されるボンドパッド２６と、金属フィードスルーリード１６とを電気的に相互接続する。フィードスルーリード１６に電圧が印加されると、ブリッジ１３に電流が流れる。ブリッジは気化し、エネルギ粉末１４内にプラズマ雲を形成する。この電流は、局所的な対流および凝縮によってエネルギ粉末１４が点火する温度まで加熱されるようにプラズマの蒸気をさらに加熱する。電圧の印加から点火に至るまでの全プロセスは、約２０μ秒未満の間に起こる。
【０００７】
先行技術の導火線ハウジング１０を用いた場合の問題点は、（１）セラミックヘッダ１８が脆く、起爆装置を乱暴に扱うと割れやすいこと、および（２）ワイヤボンド２４が導火線の装填１４と接触していることである。導火線の装填は、起爆エネルギを最大にするために詰込まれる。別の問題点は、粉末１４を詰込むことによりワイヤボンド２４に応力がかけられ、ワイヤが切れてしまうかまたはフィードスルーリード１６もしくはボンドパッド２６からのワイヤの引っぱりが緩くなってしまう可能性があることである。このパッケージは、好ましい構造ではない。セラミックヘッダを金属フィードスルーを用いて形成することは比較的コストの高いプロセスであり、装置にかかるコストを増大することになる。このことは、ケーシング２０をセラミック１８に対して気密封止しなければならない場合に特に当てはまる。さらに、低抵抗接続を行うために大きい電気パッドを用いれば、ダイ１２の面積が増大し、したがって、装置のサイズおよびコストも増大することになる。
【０００８】
ブリッジワイヤに対するＳＣＢタイプの起動装置の利点には、必要な電気エネルギがより少ないこと、不慮のまたは早すぎる起動が起こる可能性がより少ないこと、および点火時間がより迅速で正確であることがある。しかし、ＥＥＤヘッダに半導体ブリッジダイを取付けるために用いられる方法は、信頼性が低く、コストがかかる。ＳＣＢ回路は、脆い半導体基板の上に形成される。装置を収容するパッケージは、装置を機械的にも環境的にも保護しなければならない。電子パッケージを構成する構成要素はまた、ＳＣＢ装置、エネルギ粉末、および取付材料と適合しなければならない。ダイとの電気的な接続は、粉末の装填および圧密によって生じる圧力に耐えなければならない。
【０００９】
これまで、いくつかの特許が、コストの低減および信頼性の向上のためにＳＣＢをヘッダに取付けるための方法に焦点を当ててきた。ヘッダへの効率的な取付を達成するためのＳＣＢを製造する１つの方法は、ビッキーズ・ジュニア（Bickes, Jr. ）他への米国特許第4,708,069 号、およびビッキーズ・ジュニア編集のサンディア・ナショナル・ラボラトリーズ・レポート（Sandia National Labs Report ）No.SAND 86-2211 に記載されている。ビッキーズは、図２に示すように「・・・・・１対の間隔があけられたパッドがブリッジによって接続され、上記パッドの各々の領域は上記ブリッジの領域よりもはるかに大く、・・・・・」ということを用いて、ホランダーとの違いを示している。これらの大きいパッド３０は、パッドを覆う金属化層３４と電気的に接触させるために用いられる。ビッキーズによって記載されたこの大きいパッドサイズは、ポリシリコンブリッジ材料３２との低抵抗の接続を達成するために用いられた。この低抵抗の接触により、当該技術分野においては通常の典型的には約１オームという低インピーダンスのブリッジを用いることができるようになり、これにより、ＲＦエネルギから受ける影響がさらに低減された。
【００１０】
その後、米国特許第5,029,529 号において、マンディゴ（Mandigo ）は、ビッキーズ他に対して明らかに改良された方法である、ダイへのリードワイヤを１本削減する電気的導火線ハウジングにおいてＳＣＢダイを取付ける方法（図３）を開示している。電気的に導電性のダイ取付手段７２は、ＳＣＢダイ５２を銅合金導火線ボタン４０に取付けるために用いられる。ブリッジを点火するための電気的パルスは、シリコンベースの装置５２、およびダイ５２の側面に取付けられる導体または分路７６を介して導電経路７４に沿って伝わる。マンディゴによって開示された取付方法は、外部電源のための１つの電極を形成するカップ４２と第２の電極を形成するボタン４０とから構成される電気導火線７０とともに用いられた。この構成には、介挿絶縁体５４と、ダイに取付けられるワイヤ４４とカップに取付けられる導電性エレメント４８とによって形成される、カップ４２からダイ５２までの導電経路とが必要とされる。この応用は砲の弾薬に用いられるため、この応用には従来のＥＥＤよりも複雑なアセンブリが必要であり、この応用は、シリコンをドープすることによってシリコンダイ７４にわたって導電経路を形成する方法のため、この開示にのみ関係がある。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第３，３６６，０５５号明細書
【００１２】
【特許文献２】
米国特許第４，７０８，０６９号明細書
【００１３】
【特許文献３】
米国特許第５，０２９，５２９号明細書
【００１４】
【非特許文献１】
ビッキーズ・ジュニア編集のサンディア・ナショナル・ラボラトリーズ・レポート（Sandia National Labs Report ）No.SAND 86-2211
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の問題点を解消するため、本願発明は、電気的接続のためのワイヤを用いることなく、半導体ブリッジダイと起爆装置のヘッダとの電気的接続を可能にする、半導体ブリッジダイ、それを用いた起爆装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
すなわち、セラミックヘッダタイプのパッケージまたは大きい接続パッドの不利な点を持たない半導体ブリッジタイプの起動装置回路を組込む電子パッケージが提供される。本発明の利点は、パッケージの構成要素が、半導体産業において広く用いられており低コストで入手可能な標準的なＴＯ（トランジスタアウトライン）パッケージから製造されることである。本発明の別の利点は、本発明の一実施例において、リードワイヤが、破損およびその結果生じる装置の故障の可能性を最小限にするように構成されることである。それぞれが一方のワイヤ端部でダイ上の１つのボンディングパッドに接続されかつ対向するワイヤ端部でヘッダから絶縁される別々の冗長ピンに接続される２つのワイヤを用いることによって、起爆性粉末の装填の前後に装置をテストすることができる。このテストは、冗長絶縁ピンの間に非常に低い抵抗があるかどうかを検査することによって行なわれる。ボンドまたはワイヤにいかなる不備があっても、欠陥を検出するために測定される抵抗が増加される。本発明のさらに別の目的は、ビッキーズによる大きいパッドとは異なり、ブリッジを接続するのに電気材料からなる小さいパッドを用いることができ、それによって、ダイあたりのシリコン量が低減され、したがって、歩留りが高くなり、ダイあたりのコストが低減され、構造の剛さが高まり、粉末を押込んでいる間も破損に対する耐性が向上する。本発明のさらに別の利点は、組立の際に、半導体産業のために開発されたオートメーション化された組立法を用いることができ、これにより、信頼性が向上しコストが低減されることである。本発明のさらに別の利点は、ブリッジダイと金属ヘッダとの間の共晶ボンドにより熱が効果的に放散され、これによってブリッジにおけるスプリアス（spurious）誘導電流による影響をより受けにくくなることである。また、このボンディング法によって、爆薬をヘッダ上に押込むことによって生じる破損に耐えるようにするためにより大きい機械的強度が得られる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の半導体ブリッジダイは、上部および底部を有する絶縁性基板(500)と、絶縁性基板の上部に配置された半導体ブリッジ(510)と、この半導体ブリッジによって接続される互いに間隔があけられた第１および第２のコンタクトパッド(590,590)とを有し、第１のコンタクトパッドから上記底部まで、絶縁性基板の一側端部に沿って電気的な接続を形成する第１の導電層(580)と、第２のコンタクトパッドから上記底部まで、絶縁性基板の他の側端部に沿って電気的な接続を形成するとともに、第１の導電層とは電気的に独立した第２の導電層(580)とを含み、第１および第２の導電層のうちの絶縁性基板の底部に形成された部分に、起爆装置のヘッダ（ 100 ）が接続される。
【００１９】
また、本発明の半導体ブリッジ起爆装置は、上部および底部を有する絶縁性基板(500)と、絶縁性基板の上部に配置された半導体ブリッジ(510)と、この半導体ブリッジによって接続される互いに間隔があけられた第１および第２のコンタクトパッド(590,590)と、第１のコンタクトパッドから上記底部まで、絶縁性基板の一側端部に沿って電気的な接続を形成する第１の導電層 (580) と、第２のコンタクトパッドから上記底部まで、前記絶縁性基板の他の側端部に沿って電気的な接続を形成するとともに、第１の導電層とは電気的に独立した第２の導電層 (580) と、ヘッダ (100) と、半導体ブリッジと接触する起爆材料 (200) とを含み、ヘッダ (100) が、第１および第２の導電層のうちの絶縁性基板の底部に形成された部分に接続されている。
【００２０】
本発明の半導体ブリッジ起爆装置一実施例においては、上記他の絶縁性基板に、互いに電気的に独立した第１及び第２の導電領域 (630,630) が形成され、第１および第２のコンタクトパッドのそれぞれが、第１および第２の導電層 (580,580) を介して、前記第１および第２の導電領域に電気的に接続されている。
【００２１】
本発明の半導体ブリッジ起爆装置の製造方法は、第１の絶縁性基板(500)の頂部に、少なくとも１つのコンタクトパッド(590)を有する半導体ブリッジ領域(510)を形成するステップと、第１の絶縁性基板の前記頂部に少なくとも１つの溝(550)を刻むステップと、第１の絶縁性基板の頂部に、コンタクトパッドと接触しかつ溝を満たす導電層(580)を形成するステップと、導電層が第１の絶縁性基板の裏面側から電気的接続が可能となるまで第１の絶縁性基板の裏面から材料を取除くステップと、第１の絶縁性基板を第２の絶縁性基板(600)を介してヘッダ(100)と接続するステップと、導電層と前記第２の絶縁性基板に設けた導電領域(630)とを電気的に接続させるステップとを含む。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関連する参考例、および本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図４は、本発明に関連する参考例としての半導体ブリッジ装置１５０を収容するように適合されるＥＥＤヘッダアセンブリ１６０を示している。
【００２４】
トランジスタアウトライン（ＴＯ）ヘッダ１００は、この産業において通常の慣習であるように、スチール合金からなり、金めっきされる。半導体ブリッジ１５０は、ホランダーの方法に従って構成されるが、ブリッジを越えて延びる電気材料からなる小さいパッドを用いる。電気材料は、高度に導電性にするためにドープされるシリコンである。組立てられたときに、ダイのシリコンおよびヘッダ上の金めっきは加熱されると共晶ボンドを形成し、これにより、ヘッダとの優れた電気的、熱的、および機械的な接触が得られ、接地ピン１４０を介して回路の一方側を形成する。ＳＣＢ回路の他方側は、別々のワイヤボンド１３０によって別々のフィードスルーピン１１０に冗長的に接続される。フィードスルーピン１１０は、ガラス絶縁体１２０によって互いに絶縁され、かつ、ヘッダボディ１００から絶縁される。
【００２５】
ワイヤボンド１３０が回路の最も弱いエレメントであるため、本発明の利点は、これらのボンドが冗長であり、これらのボンドの完全性を確認するために組立後に非破壊テストを行なうことができることである。爆薬を装填した後、冗長導体１１０の間の抵抗は、ワイヤまたはボンドに損傷が生じていなければ非常に低いままでなければならない。したがって、テスト中にわずかに正の抵抗が測定されることにより、ワイヤまたはボンドの非常にわずかな弱さ、転位または損傷を検出することができる。すなわち、抵抗計の２つのリードをピン１１０の各々に接続し得る。回路が開いているかまたはかなりの正の抵抗が測定された場合は、ワイヤボンド１３０の一方または両方が損傷を受けていることを示す。回路が閉じているときは、装置が機能していることを示す。
【００２６】
図５は、上述のヘッダアセンブリに取付けられるＥＥＤアセンブリの残りを示している。ローディングスリーブ１７０は、ヘッダ１００に抵抗溶接される。その後、爆薬２００が装填され、スリーブ１７０に押込まれる。最後に、気密封止を形成するように、ＥＥＤ全体にわたってカバー１８０が溶接される。
【００２７】
本発明の重要な利点は、上述の組立プロセスのすべてを、半導体産業において容易に入手できるオートメーション化された機器を用いて行なうことができることである。特に、ヘッダ上にダイを置き、ダイとヘッダとの間に共晶ボンドを形成し、ダイとピンとの間に接続ワイヤを取付け、ローディングスリーブを溶接するプロセスは、完全にオートメーション化された態様で行なうことができる。
【００２８】
図６および図７（一定の縮尺率では示していない）は、ＳＣＢダイ１５０の構造およびＳＣＢダイ１５０のＴＯヘッダ１００への取付を詳細に示している。この実施例では、電気材料は、ブリッジサイズと同等の大きさの領域を覆う高濃度にドープされたシリコンである。したがって、ダイ２７０の全体のサイズを約５０ミル×５０ミル以下という小さいサイズにすることができる。基板材料２７０は約５ミルの厚さであり、約１００〜２００オーム−センチメートルの抵抗率を有する真正（比較的絶縁性の）シリコンである。
【００２９】
ＳＣＢは、以下のプロセスによって製造される。まず、フィールド酸化物絶縁層２８０をダイの表面にわたって成長させる。フィールド酸化物２８０の端縁は、ダイ２７０の端縁とほぼ隣接している。次に、マスキングステップにより、それぞれブリッジ２９２、ブリッジ２９２への接続パッド２９４、および２９５の材料を形成する領域２９２、２９４、および２９５を露出するようにフィールド酸化物２８０をエッチングして除去する。これらの露出した領域２９２、２９４、および２９５を、約２ミクロンのドーパントの深さで約０．８ミリオーム−ｃｍの抵抗率を生じるように約１０19〜約１０20ａｔｏｍｓ／ｃｃの濃度までリンでドープする。このドーピングプロセスにより、導電領域３００が形成される。
【００３０】
このブリッジの構成では、幅Ｗ／長さＬの比率が約４であれば、当該技術分野において標準である１オームのブリッジが形成される。同様に、Ｗ／Ｌが約２である場合、自動車用エアバックの起動装置に関しては通常である２オームの抵抗が得られる。ブリッジの長さＬによって、ブリッジが機能する電圧が決定される。たとえば、長さが５０ミクロンであれば、動作電圧は約２０ボルトになる。パッド２９４および２９５の各々の上面の表面積はブリッジ２９２と比較して比較的小さく、好ましくは、ブリッジ２９２の上面の表面積の２倍以下である。
【００３１】
次に、パッド２９４および２９５の上にメタライゼーション層が堆積される。（パッド２９４および２９５を露出するために別々のマスキング層が用いられる。）好ましくは、メタライゼーション層は第１のプラチナシリサイド層３３０を含み、次に、チタンタングステン合金３４０および金のめっき３５０を含む。金の層３５０は、ワイヤボンド１３０に対してワイヤボンディングを容易に行なうためのものである。
【００３２】
好ましくは、プラチナシリサイド層３３０は約６００オングストロームの厚さを有する。この層は、シリコン上にプラチナを堆積し、その後摂氏約６１５度で約３０分間焼結することによって作られる。最後に、残りの純粋なプラチナをエッチングして除去し、プラチナシリサイドだけを残す。チタン／タングステン合金層３４０は、約１０００オングストロームの厚さを有し、約８５％のタングステンと約１５％のチタンとを含む。これは、蒸着される。
【００３３】
次に、コンタクト（または貫通）ホール３１０を、エッチングによりシリコン基板２７０を貫通するように形成する。基板の裏面をマスクし、エッチングにより基板の裏面から表面まで延びるコンタクトホールを形成する。このホールは、その頂部では直径２〜３ミルであり、その底部では直径４〜５ミルである。図７からわかるように、ブリッジ２９２、パッド２９４および２９５はコンタクトホール３１０と重なっておらず、酸化物２８０または基板２７０の縁部までは延びていない。
【００３４】
最終的な金の層３５０は、パッドの上に約１．５〜２ミクロンの厚さになるようにめっきされ、この層３５０はまた、コンタクトホール３１０を完全に満たす。まず、別々のボンディングパッド３５５および３６０を規定するためにメタライゼーション層３３０、３４０および３５０にマスクを施す。その後、マスクを用いて基板の表の面に金のスパッタリングが施され、さらに、この表の面上に金めっきが施される。金めっきは、それとは別に、裏面にも施される。
【００３５】
このようにして、一方のシリコンパッド２９４はブリッジ２９２に接続され、さらに、金属パッド３５５によってヘッダ１００にも接続される。すなわち、パッド２９４から基板を介してヘッダまでの電気的接続がなされ、金属パッド３５５が、ドープされたシリコンブリッジ材料のその側とヘッダとの間の唯一の電気的接続となる。ドープされたシリコンブリッジ層の他方側は、金属パッド３６０に接続され、これは基板２７０から絶縁される。パッド３６０は、ワイヤ１３０に実質的に接続される。
【００３６】
その後、個々のＳＣＢダイ１５０を形成するようにウェハをエッチングする。ＳＣＢダイは、エス・エム・スズ（S. M. Sze ）による出版物「ＶＬＳＩ技術（VLSI Technology ）（第２版）」に記載されているような従来の方法を用いてヘッダの頂部に金の層２５０を堆積させ、基板２７０をその金と接合することによって作られた共晶ボンド２６０を介してヘッダ表面１００に取付けられる。ダイのサイズが小さいことおよび共晶ボンドにより、ダイは確実に、爆薬を押込むことによって生じる圧力に耐えるようになる。その後、ワイヤボンド１３０は上述のようにダイに取付けられる。
【００３７】
次に、本発明の一実施例としての、半導体ブリッジを電気起爆装置のヘッダに取付けるための改良した方法について説明する。この方法により、図８ａ、図８ｂ、および図８ｃに示したような半導体ブリッジダイ５００を得ることができる。上述のように、電気起爆装置においてダイのブリッジを流れる電流を用いて爆薬を起爆することができる。
【００３８】
本実施例のブリッジ５１０は、ホランダーへの米国特許第3,366,055 号に記載されるような高濃度にドープされたシリコンからなっていてもよく、この米国特許を引用によりここに援用する。代替実施例では、ブリッジ５１０は、ベンソン（Benson）他への米国特許第4,976,200 号に記載されるような化学的気相成長によって堆積される薄いタングステン層からなり、この米国特許を引用によりここに援用する。簡略化するために、この取付法をドープされたシリコンのブリッジに応用する場合のみを説明する。しかし、タングステン／シリコンのブリッジにもこの方法を応用することができる。
【００３９】
図８は、ダイ５００の一実施例を示している。直径５〜１５ｃｍ、厚さ０．２〜０．４ｍｍのシリコンウェハから複数のダイ５００を作ることができる。真正シリコンウェハが約１００ｏｈｍ−ｃｍ以上の抵抗率を有する場合に、好ましい結果が得られる。ブリッジ５１０は、約１０-3ｏｈｍ−ｃｍという比較的低い抵抗率を達成する高濃度にドープされたシリコンであってもよい。
【００４０】
図９ａは、シリコンウェハの部分断面図である。シリコンウェハは酸化され、その後、このシリコンウェハには従来の１００，０００ボルトの電子ビーム技術を用いてリン等のｎ型ドーパントの原子が注入される。ホランダーへの特許には、他の適切なｎ型ドーパントが記載されている。
【００４１】
ドーパントの濃度が約１０19〜約１０21ｃｍ-3である場合に、好ましい結果が達成されている。１つの好ましいドーパントの濃度は、約１０20ｃｍ-3である。一実施例では、ドープされたシリコンウェハは、約１０５０℃の温度まで約２０分間加熱され、その結果、その拡散深さが約１〜約３ミクロンとなる。拡散は、炉において、アルゴンガス等の不活性物質の雰囲気下で行なわなければならない。拡散の後、フッ化水素酸によってシリコンウェハ上の酸化物が取除かれる。
【００４２】
従来のフォトリソグラフィにより、ブリッジ５１０を作るためのパターンが規定される。マスク（図示せず）は、ダイ５００の各々が約０．５〜１．０ｍｍの長さおよび幅を有するようにパターンのアレイを規定する。正確な寸法は重要ではないが、ダイの各々が従来のオートメーション化された組立機器で扱うのに十分に大きく、かつ、ウェハあたりのダイの歩留りが最大になるよう十分に小さいものでなければならない。
【００４３】
ブリッジ５１０を作った後、鋸によってウェハの表の面に平行な溝５５０が形成される（図９ａ、図９ｂ）。ブリッジ５１０は、鋸を整列させるための基準となることが可能である。一実施例では、溝５５０は、深さ０．１ｍｍ、幅０．１ｍｍであり、図９ａおよび図９ｂに示されるジオメトリでは互いに０．５〜１ｍｍ間隔があけられている。図９ａに示されるように、各溝５５０の深さは、ウェハの厚さよりも少ない。
【００４４】
溝５５０を形成した後、従来のフォトリソグラフィを用いてブリッジ５１０となる領域をエッチングプロセスから保護する。残りのウェハは２〜４ミクロンの深さまでエッチングされる。これによりシリコンは完全に露出され、メサ（mesa）、即ち、高濃度にドープされたシリコンからなるブリッジ５１０が形成される。
【００４５】
従来のフォトリソグラフィ技術により、エッチングのために、コンタクトパッド５９０のための領域が露出される。その後、シリコンウェハには、パラジウム電子ビームプロセスが施される。堆積されたパラジウムは領域５９０における露出されたシリコンと反応し、パラジウムシリサイド層を形成する。超音波浴により、反応していないパラジウムがウェハから離され、パラジウムシリサイドコンタクトパッド５９０が残る。その後、ブリッジ５１０をマスクで覆い、残りのウェハを露出する。
【００４６】
従来のチタン／タングステン層には、露出された領域において約０．１〜約０．２ミクロンの深さまでスパッタリングが施される。これにより、オーミック接触が形成される。その後、ほぼ同じ深さのスパッタリングが施された金の層が続く。図８に示されるように、導電層５８０およびコンタクトパッド５９０に対して選択的に金めっきが施される。適切な金めっきの厚さは、約６〜約８ミクロンである。
【００４７】
その次のプロセスのステップにより、ウェハの表から金の層が取除かれる。図８ａおよび図８ｂに示されるように、導電層５８０の各々は、縁部５３５の周りから溝５５０の底部５４５（図９ａ）に延びる。ウェハの表は５〜１０秒間エッチングされ、０．１〜０．２ミクロンの金が取除かれる。ウェットエッチングにより、露出されたチタン／タングステンが取除かれる。薄い金の層が取除かれるが、厚い金の層は溝５５０の所望の表面上に残ったままである。
【００４８】
その後、ウェハの裏面を処理するためにウェハを裏返す。ウェハの裏面には、各溝５５０の底部５４５に延びる金めっきがウェハの裏面から見えるようになるまでサンドブラスト処理とエッチングとを交互に施すことができる。サンドブラスト処理に適切な材料は、平均約１８ミクロンの直径の酸化アルミニウムの粒子である。その後、いかなる酸化物層もウェハからエッチング除去される。
【００４９】
その後、ニッケル−クロムスパッタリングおよび金のスパッタリングが、それぞれ約０．１〜約０．２ミクロンの厚さを有するように施される。０．５〜２ミクロンの厚さまで金めっきが施され、ウェハの表面から裏面まで延びる「巻導体層」が形成される。図８ａおよび図８ｂに示されるように、導電層５８０の各々は、最終的に、コンタクトパッド５９０においてブリッジ５１０と接触し、縁部５３５を囲み、ダイ５００の裏面５３０に延びる。
【００５０】
なお、導電層５８０はアルミニウムまたは金からなっていてもよいことに注目されたい。しかし、ダイ５００をセラミック基板６００（図１０）にはんだ付するためには金が好ましい。
【００５１】
その次のステップは、導電層５８０をダイの裏面の表面５３０に制限するように、ウェハの裏面上のストリップ５６０（図８ｃ）上にわたるメタライゼーションをマスクを用いてエッチング除去することである。
【００５２】
その後、ウェハを再び裏返す。鋸を用いて、以前に刻まれた平行な溝５５０に対して垂直な溝を切断することによってウェハを個々のダイ５００に分離する。ダイ５００の各々は、図１０ａ（底面図）および図１０ｂ（上面図）に示されるように、セラミック基板６００上に装着する準備ができているものであり、これは、ヘッダ１００（図１１）に装着される。
【００５３】
図１０に示されるように、セラミック基板６００は、適切な電気的接続を形成するようにメタライゼーションパターン６３０を含む。はんだまたは導電性のエポキシにより、ピン１１０とメラタイゼーションパターン６３０との電気的接続が形成される。メタライゼーションパターン６３０とヘッダ１００との短絡を防止するために、セラミック基板６００の裏面上のメタライゼーションパターン６４０はヘッダ１００にはんだ付され、領域６１０および６１５のピン接続用窪み６２０から間隔をあけて配置される（図１０ａ）。メタライゼーションパターン６３０は、ピン１１０をダイ５００の裏面５３０の導電層５８０に電気的に接続する。
【００５４】
図１１は、セラミック基板６００に取付けられ、ピン１１０に電気的に接続されるヘッダ１００を示している。最終アセンブリは、（１）ヘッダ１００の表面とメタライゼーションパターン６４０とを、（２）ピン１１０とメタライゼーションパターン６３０とを、および（３）メタライゼーションパターン６３０とダイ５００の裏面５３０上の導電層５８０とをはんだ付するか、または導電性エポキシを用いることによって作られる。今、ヘッダ１００に爆薬１４を装填して、上述のような電気起爆装置を作ることができる。
【００５５】
以上、本発明を十分に説明したが、添付の請求の範囲の精神または範囲から外れることなく本発明に多くの変更および変形を加えることができることが当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術の半導体ブリッジ装置の側断面図である。
【図２】 図２ａは、第２の先行技術の半導体ブリッジ装置の上面図、図２ｂは、図２ａに示される第２の先行技術の半導体ブリッジ装置の側断面図である。
【図３】 第３の先行技術の半導体ブリッジ装置の側断面図である。
【図４】 図４ａは、起爆材料およびパッケージの頂部の蓋を除く、半導体ブリッジ装置、接続ワイヤ、およびパッケージを示す本発明の上面図、図４ｂは、図４ａの切断線「Ａ」に沿って見た本発明の側面図である。
【図５】 本発明の組立てられた装置の側断面図である。
【図６】 図７の切断線「Ａ」に沿って見た本発明の半導体ブリッジダイの側断面図である。
【図７】 図７は、本発明の半導体ブリッジダイの上面図である。
【図８】 図８ａは、半導体ブリッジダイの代替実施例の上面図、図８ｂは、半導体ブリッジダイの上記代替実施例の基板、巻導電層、およびブリッジを示す、図８ａの線Ａ−Ａに沿って見た断面図、図８ｃは、半導体ブリッジダイの上記代替実施例の底面図である。
【図９】 図９ａは、ウェハ上にブリッジを形成しかつウェハに溝を形成した後のウェハの一部分を示す断面図、図９ｂは、ブリッジにおけるコンタクトパッドの配置を示す、図９ａに示したウェハの上面図である。
【図１０】 図１０ａは、図１１のヘッダのための装着面であるセラミック基板を示す底面図、図１０ｂは、セラミック基板の上面図である。一実施例では、このセラミック基板により、半導体ブリッジダイの裏面の導電層とピンとの電気的接続が得られる。
【図１１】 半導体ブリッジダイと、ヘッダと、メタライゼーションパターンと、ピンとの関係を示す代替実施例の上面図である。
【符号の説明】
２００：起爆材料、５０１：（第１の）絶縁性基板、５１０：半導体ブリッジ、５５０：溝、５８０：導電層、５９０：コンタクトパッド、６００：（第２の）絶縁性基板、６３０：導電領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火素子として半導体ブリッジ（ＳＣＢ）を用いる電気起爆装置、それを構成する半導体ブリッジダイ、およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軍事兵器システムおよび自動車用エアバックシステムは、典型的には、電気起爆装置（ＥＥＤ）によって活性化される。ＥＥＤは、通常、小さい金属ブリッジワイヤを用いて、含有する起爆性混合物を点火する。典型的には約１アンペア〜約７アンペアの範囲の電流がこのブリッジワイヤに流される。内部抵抗により、このブリッジワイヤは約９００°Ｋを上回る温度まで加熱される。この加熱されたブリッジワイヤによりエネルギ粉末が点火され、導火線を始動し、この導火線がシステム中の推進薬または爆薬を点火する。このシステムは、火工品の混合物、推進薬、または爆薬を組込んでいてもよい。
【０００３】
ブリッジワイヤタイプのＥＥＤを用いた場合の問題点は、外部で発生された電流に対して敏感であることである。電波、静電気、電光またはレーダ等の源からの高レベルの電磁エネルギは、不所望で早すぎる点火を引起こすのに十分な電流をブリッジワイヤ内に誘導し得る。
【０００４】
電気起爆装置のための半導体ブリッジの発明は、ホランダー・ジュニア（Hollander, Jr.）による米国特許第3,366,055 号に開示されている。ＳＣＢを製造するために用いられているすべての現在の材料を含むいくつかの実施例がホランダーによって記載されている。ホランダー・ジュニアによって記載されたような半導体ブリッジ回路は、電流が与えられると導火線内で起爆反応を開始させる。ＳＣＢ回路では、誘導電流によって受ける影響が大幅に低減され、したがって、不慮のまたは早すぎる点火の可能性が低減される。
【０００５】
半導体ブリッジ回路は、シリコン等の半導体材料上に形成される回路を含む。リン等のｎ型ドーパントが高濃度にドープされたシリコン領域は、十分なアンペア数の電流が与えられると気化する。シリコンの蒸気は電気的に加熱され、隣接するエネルギ粉末の混合物に浸透する。局部的な対流および凝縮によって、エネルギ粉末はその点火温度まで加熱され、所望の起爆反応が開始される。
【０００６】
図１は、先行技術において既知の半導体ブリッジ回路１２のためのＥＥＤ１０の断面図である。ハウジング２０は、シリコン等の半導体材料からなる半導体装置１２を収容する。ＳＣＢ装置は、しきい値電流が与えられると気化する高濃度にドープされたブリッジ１３を含む。導火線ハウジング２０によって、ブリッジ１３はアジ化鉛等のエネルギ粉末の装填１４に近接して配置される。ＥＥＤ１０は、セラミックヘッダ１８を貫通する１対の金属フィードスルーリード１６を含む。従来のガラス−金属封止によって、フィードスルーリード１６はヘッダ１８に接合される。たとえばアルミニウムからなる金属ケーシング２０は、セラミックヘッダ１８および装填ホルダ２２を囲む。ワイヤボンド２４は、１つのボンディングパッドがブリッジの各側に配置されダイの表面上のリードワイヤに接続する状態で、半導体ブリッジ装置１２の表面の互いに対向する側にそれぞれ形成されるボンドパッド２６と、金属フィードスルーリード１６とを電気的に相互接続する。フィードスルーリード１６に電圧が印加されると、ブリッジ１３に電流が流れる。ブリッジは気化し、エネルギ粉末１４内にプラズマ雲を形成する。この電流は、局所的な対流および凝縮によってエネルギ粉末１４が点火する温度まで加熱されるようにプラズマの蒸気をさらに加熱する。電圧の印加から点火に至るまでの全プロセスは、約２０μ秒未満の間に起こる。
【０００７】
先行技術の導火線ハウジング１０を用いた場合の問題点は、（１）セラミックヘッダ１８が脆く、起爆装置を乱暴に扱うと割れやすいこと、および（２）ワイヤボンド２４が導火線の装填１４と接触していることである。導火線の装填は、起爆エネルギを最大にするために詰込まれる。別の問題点は、粉末１４を詰込むことによりワイヤボンド２４に応力がかけられ、ワイヤが切れてしまうかまたはフィードスルーリード１６もしくはボンドパッド２６からのワイヤの引っぱりが緩くなってしまう可能性があることである。このパッケージは、好ましい構造ではない。セラミックヘッダを金属フィードスルーを用いて形成することは比較的コストの高いプロセスであり、装置にかかるコストを増大することになる。このことは、ケーシング２０をセラミック１８に対して気密封止しなければならない場合に特に当てはまる。さらに、低抵抗接続を行うために大きい電気パッドを用いれば、ダイ１２の面積が増大し、したがって、装置のサイズおよびコストも増大することになる。
【０００８】
ブリッジワイヤに対するＳＣＢタイプの起動装置の利点には、必要な電気エネルギがより少ないこと、不慮のまたは早すぎる起動が起こる可能性がより少ないこと、および点火時間がより迅速で正確であることがある。しかし、ＥＥＤヘッダに半導体ブリッジダイを取付けるために用いられる方法は、信頼性が低く、コストがかかる。ＳＣＢ回路は、脆い半導体基板の上に形成される。装置を収容するパッケージは、装置を機械的にも環境的にも保護しなければならない。電子パッケージを構成する構成要素はまた、ＳＣＢ装置、エネルギ粉末、および取付材料と適合しなければならない。ダイとの電気的な接続は、粉末の装填および圧密によって生じる圧力に耐えなければならない。
【０００９】
これまで、いくつかの特許が、コストの低減および信頼性の向上のためにＳＣＢをヘッダに取付けるための方法に焦点を当ててきた。ヘッダへの効率的な取付を達成するためのＳＣＢを製造する１つの方法は、ビッキーズ・ジュニア（Bickes, Jr. ）他への米国特許第4,708,069 号、およびビッキーズ・ジュニア編集のサンディア・ナショナル・ラボラトリーズ・レポート（Sandia National Labs Report ）No.SAND 86-2211 に記載されている。ビッキーズは、図２に示すように「・・・・・１対の間隔があけられたパッドがブリッジによって接続され、上記パッドの各々の領域は上記ブリッジの領域よりもはるかに大く、・・・・・」ということを用いて、ホランダーとの違いを示している。これらの大きいパッド３０は、パッドを覆う金属化層３４と電気的に接触させるために用いられる。ビッキーズによって記載されたこの大きいパッドサイズは、ポリシリコンブリッジ材料３２との低抵抗の接続を達成するために用いられた。この低抵抗の接触により、当該技術分野においては通常の典型的には約１オームという低インピーダンスのブリッジを用いることができるようになり、これにより、ＲＦエネルギから受ける影響がさらに低減された。
【００１０】
その後、米国特許第5,029,529 号において、マンディゴ（Mandigo ）は、ビッキーズ他に対して明らかに改良された方法である、ダイへのリードワイヤを１本削減する電気的導火線ハウジングにおいてＳＣＢダイを取付ける方法（図３）を開示している。電気的に導電性のダイ取付手段７２は、ＳＣＢダイ５２を銅合金導火線ボタン４０に取付けるために用いられる。ブリッジを点火するための電気的パルスは、シリコンベースの装置５２、およびダイ５２の側面に取付けられる導体または分路７６を介して導電経路７４に沿って伝わる。マンディゴによって開示された取付方法は、外部電源のための１つの電極を形成するカップ４２と第２の電極を形成するボタン４０とから構成される電気導火線７０とともに用いられた。この構成には、介挿絶縁体５４と、ダイに取付けられるワイヤ４４とカップに取付けられる導電性エレメント４８とによって形成される、カップ４２からダイ５２までの導電経路とが必要とされる。この応用は砲の弾薬に用いられるため、この応用には従来のＥＥＤよりも複雑なアセンブリが必要であり、この応用は、シリコンをドープすることによってシリコンダイ７４にわたって導電経路を形成する方法のため、この開示にのみ関係がある。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第３，３６６，０５５号明細書
【００１２】
【特許文献２】
米国特許第４，７０８，０６９号明細書
【００１３】
【特許文献３】
米国特許第５，０２９，５２９号明細書
【００１４】
【非特許文献１】
ビッキーズ・ジュニア編集のサンディア・ナショナル・ラボラトリーズ・レポート（Sandia National Labs Report ）No.SAND 86-2211
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の問題点を解消するため、本願発明は、電気的接続のためのワイヤを用いることなく、半導体ブリッジダイと起爆装置のヘッダとの電気的接続を可能にする、半導体ブリッジダイ、それを用いた起爆装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
すなわち、セラミックヘッダタイプのパッケージまたは大きい接続パッドの不利な点を持たない半導体ブリッジタイプの起動装置回路を組込む電子パッケージが提供される。本発明の利点は、パッケージの構成要素が、半導体産業において広く用いられており低コストで入手可能な標準的なＴＯ（トランジスタアウトライン）パッケージから製造されることである。本発明の別の利点は、本発明の一実施例において、リードワイヤが、破損およびその結果生じる装置の故障の可能性を最小限にするように構成されることである。それぞれが一方のワイヤ端部でダイ上の１つのボンディングパッドに接続されかつ対向するワイヤ端部でヘッダから絶縁される別々の冗長ピンに接続される２つのワイヤを用いることによって、起爆性粉末の装填の前後に装置をテストすることができる。このテストは、冗長絶縁ピンの間に非常に低い抵抗があるかどうかを検査することによって行なわれる。ボンドまたはワイヤにいかなる不備があっても、欠陥を検出するために測定される抵抗が増加される。本発明のさらに別の目的は、ビッキーズによる大きいパッドとは異なり、ブリッジを接続するのに電気材料からなる小さいパッドを用いることができ、それによって、ダイあたりのシリコン量が低減され、したがって、歩留りが高くなり、ダイあたりのコストが低減され、構造の剛さが高まり、粉末を押込んでいる間も破損に対する耐性が向上する。本発明のさらに別の利点は、組立の際に、半導体産業のために開発されたオートメーション化された組立法を用いることができ、これにより、信頼性が向上しコストが低減されることである。本発明のさらに別の利点は、ブリッジダイと金属ヘッダとの間の共晶ボンドにより熱が効果的に放散され、これによってブリッジにおけるスプリアス（spurious）誘導電流による影響をより受けにくくなることである。また、このボンディング法によって、爆薬をヘッダ上に押込むことによって生じる破損に耐えるようにするためにより大きい機械的強度が得られる。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の半導体ブリッジダイは、上部および底部を有する絶縁性基板(500)と、絶縁性基板の上部に配置された半導体ブリッジ(510)と、この半導体ブリッジによって接続される互いに間隔があけられた第１および第２のコンタクトパッド(590,590)とを有し、第１のコンタクトパッドから上記底部まで、絶縁性基板の一側端部に沿って電気的な接続を形成する第１の導電層(580)と、第２のコンタクトパッドから上記底部まで、絶縁性基板の他の側端部に沿って電気的な接続を形成するとともに、第１の導電層とは電気的に独立した第２の導電層(580)とを含み、第１および第２の導電層のうちの絶縁性基板の底部に形成された部分に、起爆装置のヘッダ（ 100 ）が接続される。
【００１９】
また、本発明の半導体ブリッジ起爆装置は、上部および底部を有する絶縁性基板(500)と、絶縁性基板の上部に配置された半導体ブリッジ(510)と、この半導体ブリッジによって接続される互いに間隔があけられた第１および第２のコンタクトパッド(590,590)と、第１のコンタクトパッドから上記底部まで、絶縁性基板の一側端部に沿って電気的な接続を形成する第１の導電層 (580) と、第２のコンタクトパッドから上記底部まで、前記絶縁性基板の他の側端部に沿って電気的な接続を形成するとともに、第１の導電層とは電気的に独立した第２の導電層 (580) と、ヘッダ (100) と、半導体ブリッジと接触する起爆材料 (200) とを含み、ヘッダ (100) が、第１および第２の導電層のうちの絶縁性基板の底部に形成された部分に接続されている。
【００２０】
本発明の半導体ブリッジ起爆装置一実施例においては、上記他の絶縁性基板に、互いに電気的に独立した第１及び第２の導電領域 (630,630) が形成され、第１および第２のコンタクトパッドのそれぞれが、第１および第２の導電層 (580,580) を介して、前記第１および第２の導電領域に電気的に接続されている。
【００２１】
本発明の半導体ブリッジ起爆装置の製造方法は、第１の絶縁性基板(500)の頂部に、少なくとも１つのコンタクトパッド(590)を有する半導体ブリッジ領域(510)を形成するステップと、第１の絶縁性基板の前記頂部に少なくとも１つの溝(550)を刻むステップと、第１の絶縁性基板の頂部に、コンタクトパッドと接触しかつ溝を満たす導電層(580)を形成するステップと、導電層が第１の絶縁性基板の裏面側から電気的接続が可能となるまで第１の絶縁性基板の裏面から材料を取除くステップと、第１の絶縁性基板を第２の絶縁性基板(600)を介してヘッダ(100)と接続するステップと、導電層と前記第２の絶縁性基板に設けた導電領域(630)とを電気的に接続させるステップとを含む。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関連する参考例、および本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図４は、本発明に関連する参考例としての半導体ブリッジ装置１５０を収容するように適合されるＥＥＤヘッダアセンブリ１６０を示している。
【００２４】
トランジスタアウトライン（ＴＯ）ヘッダ１００は、この産業において通常の慣習であるように、スチール合金からなり、金めっきされる。半導体ブリッジ１５０は、ホランダーの方法に従って構成されるが、ブリッジを越えて延びる電気材料からなる小さいパッドを用いる。電気材料は、高度に導電性にするためにドープされるシリコンである。組立てられたときに、ダイのシリコンおよびヘッダ上の金めっきは加熱されると共晶ボンドを形成し、これにより、ヘッダとの優れた電気的、熱的、および機械的な接触が得られ、接地ピン１４０を介して回路の一方側を形成する。ＳＣＢ回路の他方側は、別々のワイヤボンド１３０によって別々のフィードスルーピン１１０に冗長的に接続される。フィードスルーピン１１０は、ガラス絶縁体１２０によって互いに絶縁され、かつ、ヘッダボディ１００から絶縁される。
【００２５】
ワイヤボンド１３０が回路の最も弱いエレメントであるため、本発明の利点は、これらのボンドが冗長であり、これらのボンドの完全性を確認するために組立後に非破壊テストを行なうことができることである。爆薬を装填した後、冗長導体１１０の間の抵抗は、ワイヤまたはボンドに損傷が生じていなければ非常に低いままでなければならない。したがって、テスト中にわずかに正の抵抗が測定されることにより、ワイヤまたはボンドの非常にわずかな弱さ、転位または損傷を検出することができる。すなわち、抵抗計の２つのリードをピン１１０の各々に接続し得る。回路が開いているかまたはかなりの正の抵抗が測定された場合は、ワイヤボンド１３０の一方または両方が損傷を受けていることを示す。回路が閉じているときは、装置が機能していることを示す。
【００２６】
図５は、上述のヘッダアセンブリに取付けられるＥＥＤアセンブリの残りを示している。ローディングスリーブ１７０は、ヘッダ１００に抵抗溶接される。その後、爆薬２００が装填され、スリーブ１７０に押込まれる。最後に、気密封止を形成するように、ＥＥＤ全体にわたってカバー１８０が溶接される。
【００２７】
本発明の重要な利点は、上述の組立プロセスのすべてを、半導体産業において容易に入手できるオートメーション化された機器を用いて行なうことができることである。特に、ヘッダ上にダイを置き、ダイとヘッダとの間に共晶ボンドを形成し、ダイとピンとの間に接続ワイヤを取付け、ローディングスリーブを溶接するプロセスは、完全にオートメーション化された態様で行なうことができる。
【００２８】
図６および図７（一定の縮尺率では示していない）は、ＳＣＢダイ１５０の構造およびＳＣＢダイ１５０のＴＯヘッダ１００への取付を詳細に示している。この実施例では、電気材料は、ブリッジサイズと同等の大きさの領域を覆う高濃度にドープされたシリコンである。したがって、ダイ２７０の全体のサイズを約５０ミル×５０ミル以下という小さいサイズにすることができる。基板材料２７０は約５ミルの厚さであり、約１００〜２００オーム−センチメートルの抵抗率を有する真正（比較的絶縁性の）シリコンである。
【００２９】
ＳＣＢは、以下のプロセスによって製造される。まず、フィールド酸化物絶縁層２８０をダイの表面にわたって成長させる。フィールド酸化物２８０の端縁は、ダイ２７０の端縁とほぼ隣接している。次に、マスキングステップにより、それぞれブリッジ２９２、ブリッジ２９２への接続パッド２９４、および２９５の材料を形成する領域２９２、２９４、および２９５を露出するようにフィールド酸化物２８０をエッチングして除去する。これらの露出した領域２９２、２９４、および２９５を、約２ミクロンのドーパントの深さで約０．８ミリオーム−ｃｍの抵抗率を生じるように約１０19〜約１０20ａｔｏｍｓ／ｃｃの濃度までリンでドープする。このドーピングプロセスにより、導電領域３００が形成される。
【００３０】
このブリッジの構成では、幅Ｗ／長さＬの比率が約４であれば、当該技術分野において標準である１オームのブリッジが形成される。同様に、Ｗ／Ｌが約２である場合、自動車用エアバックの起動装置に関しては通常である２オームの抵抗が得られる。ブリッジの長さＬによって、ブリッジが機能する電圧が決定される。たとえば、長さが５０ミクロンであれば、動作電圧は約２０ボルトになる。パッド２９４および２９５の各々の上面の表面積はブリッジ２９２と比較して比較的小さく、好ましくは、ブリッジ２９２の上面の表面積の２倍以下である。
【００３１】
次に、パッド２９４および２９５の上にメタライゼーション層が堆積される。（パッド２９４および２９５を露出するために別々のマスキング層が用いられる。）好ましくは、メタライゼーション層は第１のプラチナシリサイド層３３０を含み、次に、チタンタングステン合金３４０および金のめっき３５０を含む。金の層３５０は、ワイヤボンド１３０に対してワイヤボンディングを容易に行なうためのものである。
【００３２】
好ましくは、プラチナシリサイド層３３０は約６００オングストロームの厚さを有する。この層は、シリコン上にプラチナを堆積し、その後摂氏約６１５度で約３０分間焼結することによって作られる。最後に、残りの純粋なプラチナをエッチングして除去し、プラチナシリサイドだけを残す。チタン／タングステン合金層３４０は、約１０００オングストロームの厚さを有し、約８５％のタングステンと約１５％のチタンとを含む。これは、蒸着される。
【００３３】
次に、コンタクト（または貫通）ホール３１０を、エッチングによりシリコン基板２７０を貫通するように形成する。基板の裏面をマスクし、エッチングにより基板の裏面から表面まで延びるコンタクトホールを形成する。このホールは、その頂部では直径２〜３ミルであり、その底部では直径４〜５ミルである。図７からわかるように、ブリッジ２９２、パッド２９４および２９５はコンタクトホール３１０と重なっておらず、酸化物２８０または基板２７０の縁部までは延びていない。
【００３４】
最終的な金の層３５０は、パッドの上に約１．５〜２ミクロンの厚さになるようにめっきされ、この層３５０はまた、コンタクトホール３１０を完全に満たす。まず、別々のボンディングパッド３５５および３６０を規定するためにメタライゼーション層３３０、３４０および３５０にマスクを施す。その後、マスクを用いて基板の表の面に金のスパッタリングが施され、さらに、この表の面上に金めっきが施される。金めっきは、それとは別に、裏面にも施される。
【００３５】
このようにして、一方のシリコンパッド２９４はブリッジ２９２に接続され、さらに、金属パッド３５５によってヘッダ１００にも接続される。すなわち、パッド２９４から基板を介してヘッダまでの電気的接続がなされ、金属パッド３５５が、ドープされたシリコンブリッジ材料のその側とヘッダとの間の唯一の電気的接続となる。ドープされたシリコンブリッジ層の他方側は、金属パッド３６０に接続され、これは基板２７０から絶縁される。パッド３６０は、ワイヤ１３０に実質的に接続される。
【００３６】
その後、個々のＳＣＢダイ１５０を形成するようにウェハをエッチングする。ＳＣＢダイは、エス・エム・スズ（S. M. Sze ）による出版物「ＶＬＳＩ技術（VLSI Technology ）（第２版）」に記載されているような従来の方法を用いてヘッダの頂部に金の層２５０を堆積させ、基板２７０をその金と接合することによって作られた共晶ボンド２６０を介してヘッダ表面１００に取付けられる。ダイのサイズが小さいことおよび共晶ボンドにより、ダイは確実に、爆薬を押込むことによって生じる圧力に耐えるようになる。その後、ワイヤボンド１３０は上述のようにダイに取付けられる。
【００３７】
次に、本発明の一実施例としての、半導体ブリッジを電気起爆装置のヘッダに取付けるための改良した方法について説明する。この方法により、図８ａ、図８ｂ、および図８ｃに示したような半導体ブリッジダイ５００を得ることができる。上述のように、電気起爆装置においてダイのブリッジを流れる電流を用いて爆薬を起爆することができる。
【００３８】
本実施例のブリッジ５１０は、ホランダーへの米国特許第3,366,055 号に記載されるような高濃度にドープされたシリコンからなっていてもよく、この米国特許を引用によりここに援用する。代替実施例では、ブリッジ５１０は、ベンソン（Benson）他への米国特許第4,976,200 号に記載されるような化学的気相成長によって堆積される薄いタングステン層からなり、この米国特許を引用によりここに援用する。簡略化するために、この取付法をドープされたシリコンのブリッジに応用する場合のみを説明する。しかし、タングステン／シリコンのブリッジにもこの方法を応用することができる。
【００３９】
図８は、ダイ５００の一実施例を示している。直径５〜１５ｃｍ、厚さ０．２〜０．４ｍｍのシリコンウェハから複数のダイ５００を作ることができる。真正シリコンウェハが約１００ｏｈｍ−ｃｍ以上の抵抗率を有する場合に、好ましい結果が得られる。ブリッジ５１０は、約１０-3ｏｈｍ−ｃｍという比較的低い抵抗率を達成する高濃度にドープされたシリコンであってもよい。
【００４０】
図９ａは、シリコンウェハの部分断面図である。シリコンウェハは酸化され、その後、このシリコンウェハには従来の１００，０００ボルトの電子ビーム技術を用いてリン等のｎ型ドーパントの原子が注入される。ホランダーへの特許には、他の適切なｎ型ドーパントが記載されている。
【００４１】
ドーパントの濃度が約１０19〜約１０21ｃｍ-3である場合に、好ましい結果が達成されている。１つの好ましいドーパントの濃度は、約１０20ｃｍ-3である。一実施例では、ドープされたシリコンウェハは、約１０５０℃の温度まで約２０分間加熱され、その結果、その拡散深さが約１〜約３ミクロンとなる。拡散は、炉において、アルゴンガス等の不活性物質の雰囲気下で行なわなければならない。拡散の後、フッ化水素酸によってシリコンウェハ上の酸化物が取除かれる。
【００４２】
従来のフォトリソグラフィにより、ブリッジ５１０を作るためのパターンが規定される。マスク（図示せず）は、ダイ５００の各々が約０．５〜１．０ｍｍの長さおよび幅を有するようにパターンのアレイを規定する。正確な寸法は重要ではないが、ダイの各々が従来のオートメーション化された組立機器で扱うのに十分に大きく、かつ、ウェハあたりのダイの歩留りが最大になるよう十分に小さいものでなければならない。
【００４３】
ブリッジ５１０を作った後、鋸によってウェハの表の面に平行な溝５５０が形成される（図９ａ、図９ｂ）。ブリッジ５１０は、鋸を整列させるための基準となることが可能である。一実施例では、溝５５０は、深さ０．１ｍｍ、幅０．１ｍｍであり、図９ａおよび図９ｂに示されるジオメトリでは互いに０．５〜１ｍｍ間隔があけられている。図９ａに示されるように、各溝５５０の深さは、ウェハの厚さよりも少ない。
【００４４】
溝５５０を形成した後、従来のフォトリソグラフィを用いてブリッジ５１０となる領域をエッチングプロセスから保護する。残りのウェハは２〜４ミクロンの深さまでエッチングされる。これによりシリコンは完全に露出され、メサ（mesa）、即ち、高濃度にドープされたシリコンからなるブリッジ５１０が形成される。
【００４５】
従来のフォトリソグラフィ技術により、エッチングのために、コンタクトパッド５９０のための領域が露出される。その後、シリコンウェハには、パラジウム電子ビームプロセスが施される。堆積されたパラジウムは領域５９０における露出されたシリコンと反応し、パラジウムシリサイド層を形成する。超音波浴により、反応していないパラジウムがウェハから離され、パラジウムシリサイドコンタクトパッド５９０が残る。その後、ブリッジ５１０をマスクで覆い、残りのウェハを露出する。
【００４６】
従来のチタン／タングステン層には、露出された領域において約０．１〜約０．２ミクロンの深さまでスパッタリングが施される。これにより、オーミック接触が形成される。その後、ほぼ同じ深さのスパッタリングが施された金の層が続く。図８に示されるように、導電層５８０およびコンタクトパッド５９０に対して選択的に金めっきが施される。適切な金めっきの厚さは、約６〜約８ミクロンである。
【００４７】
その次のプロセスのステップにより、ウェハの表から金の層が取除かれる。図８ａおよび図８ｂに示されるように、導電層５８０の各々は、縁部５３５の周りから溝５５０の底部５４５（図９ａ）に延びる。ウェハの表は５〜１０秒間エッチングされ、０．１〜０．２ミクロンの金が取除かれる。ウェットエッチングにより、露出されたチタン／タングステンが取除かれる。薄い金の層が取除かれるが、厚い金の層は溝５５０の所望の表面上に残ったままである。
【００４８】
その後、ウェハの裏面を処理するためにウェハを裏返す。ウェハの裏面には、各溝５５０の底部５４５に延びる金めっきがウェハの裏面から見えるようになるまでサンドブラスト処理とエッチングとを交互に施すことができる。サンドブラスト処理に適切な材料は、平均約１８ミクロンの直径の酸化アルミニウムの粒子である。その後、いかなる酸化物層もウェハからエッチング除去される。
【００４９】
その後、ニッケル−クロムスパッタリングおよび金のスパッタリングが、それぞれ約０．１〜約０．２ミクロンの厚さを有するように施される。０．５〜２ミクロンの厚さまで金めっきが施され、ウェハの表面から裏面まで延びる「巻導体層」が形成される。図８ａおよび図８ｂに示されるように、導電層５８０の各々は、最終的に、コンタクトパッド５９０においてブリッジ５１０と接触し、縁部５３５を囲み、ダイ５００の裏面５３０に延びる。
【００５０】
なお、導電層５８０はアルミニウムまたは金からなっていてもよいことに注目されたい。しかし、ダイ５００をセラミック基板６００（図１０）にはんだ付するためには金が好ましい。
【００５１】
その次のステップは、導電層５８０をダイの裏面の表面５３０に制限するように、ウェハの裏面上のストリップ５６０（図８ｃ）上にわたるメタライゼーションをマスクを用いてエッチング除去することである。
【００５２】
その後、ウェハを再び裏返す。鋸を用いて、以前に刻まれた平行な溝５５０に対して垂直な溝を切断することによってウェハを個々のダイ５００に分離する。ダイ５００の各々は、図１０ａ（底面図）および図１０ｂ（上面図）に示されるように、セラミック基板６００上に装着する準備ができているものであり、これは、ヘッダ１００（図１１）に装着される。
【００５３】
図１０に示されるように、セラミック基板６００は、適切な電気的接続を形成するようにメタライゼーションパターン６３０を含む。はんだまたは導電性のエポキシにより、ピン１１０とメラタイゼーションパターン６３０との電気的接続が形成される。メタライゼーションパターン６３０とヘッダ１００との短絡を防止するために、セラミック基板６００の裏面上のメタライゼーションパターン６４０はヘッダ１００にはんだ付され、領域６１０および６１５のピン接続用窪み６２０から間隔をあけて配置される（図１０ａ）。メタライゼーションパターン６３０は、ピン１１０をダイ５００の裏面５３０の導電層５８０に電気的に接続する。
【００５４】
図１１は、セラミック基板６００に取付けられ、ピン１１０に電気的に接続されるヘッダ１００を示している。最終アセンブリは、（１）ヘッダ１００の表面とメタライゼーションパターン６４０とを、（２）ピン１１０とメタライゼーションパターン６３０とを、および（３）メタライゼーションパターン６３０とダイ５００の裏面５３０上の導電層５８０とをはんだ付するか、または導電性エポキシを用いることによって作られる。今、ヘッダ１００に爆薬１４を装填して、上述のような電気起爆装置を作ることができる。
【００５５】
以上、本発明を十分に説明したが、添付の請求の範囲の精神または範囲から外れることなく本発明に多くの変更および変形を加えることができることが当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 先行技術の半導体ブリッジ装置の側断面図である。
【図２】 図２ａは、第２の先行技術の半導体ブリッジ装置の上面図、図２ｂは、図２ａに示される第２の先行技術の半導体ブリッジ装置の側断面図である。
【図３】 第３の先行技術の半導体ブリッジ装置の側断面図である。
【図４】 図４ａは、起爆材料およびパッケージの頂部の蓋を除く、半導体ブリッジ装置、接続ワイヤ、およびパッケージを示す本発明の上面図、図４ｂは、図４ａの切断線「Ａ」に沿って見た本発明の側面図である。
【図５】 本発明の組立てられた装置の側断面図である。
【図６】 図７の切断線「Ａ」に沿って見た本発明の半導体ブリッジダイの側断面図である。
【図７】 図７は、本発明の半導体ブリッジダイの上面図である。
【図８】 図８ａは、半導体ブリッジダイの代替実施例の上面図、図８ｂは、半導体ブリッジダイの上記代替実施例の基板、巻導電層、およびブリッジを示す、図８ａの線Ａ−Ａに沿って見た断面図、図８ｃは、半導体ブリッジダイの上記代替実施例の底面図である。
【図９】 図９ａは、ウェハ上にブリッジを形成しかつウェハに溝を形成した後のウェハの一部分を示す断面図、図９ｂは、ブリッジにおけるコンタクトパッドの配置を示す、図９ａに示したウェハの上面図である。
【図１０】 図１０ａは、図１１のヘッダのための装着面であるセラミック基板を示す底面図、図１０ｂは、セラミック基板の上面図である。一実施例では、このセラミック基板により、半導体ブリッジダイの裏面の導電層とピンとの電気的接続が得られる。
【図１１】 半導体ブリッジダイと、ヘッダと、メタライゼーションパターンと、ピンとの関係を示す代替実施例の上面図である。
【符号の説明】
２００：起爆材料、５０１：（第１の）絶縁性基板、５１０：半導体ブリッジ、５５０：溝、５８０：導電層、５９０：コンタクトパッド、６００：（第２の）絶縁性基板、６３０：導電領域
Claims (14)
- 上部および底部を有する絶縁性基板(500)と、
前記絶縁性基板の上部に配置された半導体ブリッジ(510)と、
前記半導体ブリッジによって接続される互いに間隔があけられた第１および第２のコンタクトパッド(590,590)とを有し、
前記第１のコンタクトパッドから前記底部まで、前記絶縁性基板の一側端部に沿って電気的な接続を形成する第１の導電層(580)と、
前記第２のコンタクトパッドから前記底部まで、前記絶縁性基板の他の側端部に沿って電気的な接続を形成するとともに、前記第１の導電層とは電気的に独立した第２の導電層(580)とを含み、
前記第１および第２の導電層のうちの前記絶縁性基板の前記底部に形成された部分に、起爆装置のヘッダ（ 100 ）が接続される、半導体ブリッジダイ。 - 前記コンタクトパッドの各々の表面積は、前記ブリッジの上面の面積の２倍以下である、請求項１に記載の半導体ブリッジダイ。
- 前記コンタクトパッドと接触する材料の部分は、プラチナシリサイド化合物を含む底部層と、チタンおよびタングステンを含む合金を含む中間層と、金の合金を含む上部層とをさらに含む、請求項１または２に記載の半導体ブリッジダイ。
- 前記絶縁性基板は真正シリコンからなる、請求項１〜３いずれかに記載の半導体ブリッジダイ。
- 上部および底部を有する絶縁性基板(500)と、
前記絶縁性基板の上部に配置された半導体ブリッジ(510)と、
前記半導体ブリッジによって接続される互いに間隔があけられた第１および第２のコンタクトパッド(590,590)と、
前記第１のコンタクトパッドから前記底部まで、前記絶縁性基板の一側端部に沿って電
気的な接続を形成する第１の導電層(580)と、
前記第２のコンタクトパッドから前記底部まで、前記絶縁性基板の他の側端部に沿って電気的な接続を形成するとともに、前記第１の導電層とは電気的に独立した第２の導電層(580)と、
ヘッダ (100) と、
前記ブリッジと接触する起爆材料(200)とを含み、
前記ヘッダ (100) が、前記第１および第２の導電層のうちの前記絶縁性基板の前記底部に形成された部分に接続された、半導体ブリッジ起爆装置。 - 前記第１の絶縁性基板と前記ヘッダとを接続する他の絶縁性基板(600)をさらに備え、
前記他の絶縁性基板(600)には、前記第１および第２の導電層のそれぞれと接続される、電気的に互いに独立した第１および第２の導電性領域(630,630)が形成されている、請求項５に記載の半導体ブリッジ起爆装置。 - 前記導電領域が、互いに間隔があけられた第１および第２の導電性領域(630,630)を有し、前記ヘッダは、互いに絶縁されかつ前記ヘッダを貫通して延びる２つの導電性のピンを備え、前記２つの導電性のピンの一方は前記第１の導電性領域に接続され、他方のピンは前記第２の導電性領域に接続される、請求項６に記載の半導体ブリッジ起爆装置。
- トランジスタアウトラインパッケージ内に装着される、請求項７記載の半導体ブリッジ起爆装置。
- 前記他の絶縁性基板には、互いに電気的に独立した第１及び第２の導電領域(630,630)が形成され、前記第１および第２のコンタクトパッドのそれぞれが、前記第１および第２の導電層(580,580)を介して、前記第１および第２の導電領域に電気的に接続された、請求項６記載の半導体ブリッジ起爆装置。
- 第１の絶縁性基板(500)の頂部に、少なくとも１つのコンタクトパッド(590)を有する半導体ブリッジ領域(510)を形成するステップと、
前記第１の絶縁性基板の前記頂部に少なくとも１つの溝(550)を刻むステップと、
前記第１の絶縁性基板の前記頂部に、前記コンタクトパッドと接触しかつ前記溝を満たす導電層(580)を形成するステップと、
前記導電層が前記第１の絶縁性基板の裏面側から電気的接続が可能となるまで前記第１の絶縁性基板の前記裏面から材料を取除くステップと、
前記第１の絶縁性基板を第２の絶縁性基板(600)を介してヘッダ(100)と接続するステップと、
前記導電層と前記第２の絶縁性基板に設けた導電領域(630)とを電気的に接続させるステップとを含む、半導体ブリッジ起爆装置の製造方法。 - 前記半導体ブリッジ領域は、高濃度にドープされたシリコン層を含む、請求項１０に記載の半導体ブリッジ起爆装置の製造方法。
- 前記半導体ブリッジ領域は、タングステンおよびシリコンを含む層を有する、請求項１１に記載の半導体ブリッジ起爆装置の製造方法。
- 前記半導体ブリッジ領域は第１および第２のコンタクトパッドを含み、
前記導電層を形成するステップは、マスクを用いたエッチングにより、前記第１および第２のコンタクトパッドのそれぞれに電気的に接続される第１および第２の導電性層を形成するステップを含む、請求項１０〜１２のいずれかに記載の半導体ブリッジ起爆装置の製造方法。 - 前記溝(550)は、互いに略平行な１対の溝を含み、該１対の溝を埋める導電層はそれぞれ、前記第１および第２の導電層の一部を構成する、請求項１３に記載の半導体ブリッジ起爆装置の製造方法。
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