具体实施方式

除非另有指示，否则图式中对应数字及符号通常指代对应部件。图式不一定按比例绘制。

在此描述中，术语“柱”是例如立柱的垂直结构。在此描述中，术语“细长柱”是具有其长度比宽度大得多的纤长形状的柱。在此描述中，术语“导电细长柱”是作为电导体的细长柱。用于如本文所描述的导电细长柱的材料包含掺杂半导体、金属、石墨烯或这些材料的复合物，或其它导电材料的复合物。在此描述中，术语“凹槽”是在表面中的长、窄切口或压痕。在用于形成布置的实例工艺中，在半导体衬底的表面中制作凹槽。在此描述中，“Z字形”意指具有突然右转弯及左转弯的交替方向的图案。在实例布置中，当从平面视图观察时，柱以Z字形图案布置。

在实例布置中，通过使用直接测量来解决感测介质的特性的问题。直接测量是基于介质的电离及对介质的阻抗变化的检测。在实例中，可测量环境大气的湿度含量。在电晕电离发生时的电离电流以及电介质(举例来说，空气)中的传导取决于介质的湿度含量，从而能够通过电离电极之间的电介质以及通过观察电流或传导值来进行直接测量。在皇家飞机研究院(Royal Aircraft Establishment)的B.R.马斯克尔(B.R.Maskell)所著的第70106号技术报告“湿气对空气中电晕放电的影响(The Effect of Humidity on a CoronaDischarge in Air)”(1970年6月)中呈现空气中电离电流与湿气之间的关系的细节；所述报告特此以引用的方式并入本文中。除空气的直接湿度感测外，还可对处于电离下的另一介质执行阻抗变化感测。这些阻抗变化可用于检测气体中的湿度、检测气体或使用直接感测执行其它感测。通过电离介质，传感器可执行直接测量，而不使用特定湿度敏感材料，且不需要在将材料暴露于介质且接着等待材料的变化之后进行间接测量。在布置中，形成其中介质位于传感器中的电极之间的结构。电极可用于电离介质。在实例中，结构是具有通过间隙彼此间隔的细长柱的电容性结构，并且介质在间隙中。使用具有小特征大小的电容性结构使电离能够在小电压下发生。然而，结构可在更大的尺度上形成，并且更大电压可用于产生用于介质的电离的电场。在实例布置中，传感器包含形成第一电极的第一组导电柱及形成第二电极的第二组导电柱，第二组柱通过间隙与第一组柱间隔。在电极之间施加电压以电离间隙中的介质。在电离期间可观察到电流，并且可确定介质的湿度。在另一实例中，介质是环境大气或空气。其它电介质介质可在间隙中，例如气体及生物流体；并且可电离分子是从包含水分子、气体混合物及溶解分子的群组选择的分子。

图1A说明用于与半导体装置(例如集成电路)组合制造的传感器装置的布置；图1B在放大视图中说明图1A的传感器装置的一部分以便于描述。所展示的实例布置中的传感器装置原则上是在具有单向导电柱的半导体衬底上形成的电容性结构。如在图1A中所展示，电介质介质170(举例来说，空气)在柱140、150之间。在结构的正侧与负侧之间施加电压差将允许柱之间的电介质介质电离。电离改变电容性结构的阻抗，电容性结构是由导电柱形成的电极布置。在数量上，为实现电离，在电容性结构的尖端处的电场应超过3V/μm；此值可利用相对较大结构特征及使用相对较大电压来实现，或者利用小结构特征及使用相对较小电压来实现。

在图1B中，线101表示由单晶半导体制成的原始半导体衬底100的第一表面，并且柱端表面102是半导体衬底的第二表面的部分。衬底100的单晶半导体选自包含硅、硅锗、砷化镓、氮化镓及其它用于制造的III-V及II-VI化合物半导体的群组。在实例中，例如140、150的柱体是半导体衬底的块体部分。衬底的半导体材料经掺杂使得所述柱是导电的。替代地，在额外布置中，柱140、150可由金属、石墨烯或这些材料的复合物或其它导电材料制成。

如图1A及1B说明，第一导体层110通过接触第一及第二导体层的绝缘体层130与第二导体层120间隔开。第一绝缘体层具有厚度130a。第一导体层110及第二导体层120彼此平行。如下文所描述，当元件意在位于当无限延伸时将不相交的平面中时，布置的元件被描述为彼此“平行”。然而，本文中所使用的术语平行也包含由于制造公差而可能在方向上略微偏离的表面，如果两个表面大体上位于间隔开的平面中并且当无限延伸时不会交叉，那么当使表面没有这些偏离时，表面也是平行的。平行表面在一个方向上并排延伸并且不相交。

第一导体层110及第二导体层120是平面的。如在本文中使用术语“平面的”，平面表面位于一个平面中并且是平坦的。然而，应理解，在制造中，由于制造中的公差，表面上会发生一些变化，并且术语平面包含意在为平坦且在一个平面中的表面，即使在制造期间一些偏离发生在表面中也如此。

可形成图1B中指定为161的第二绝缘体层，以保护导体层120，并向结构提供进一步机械强度，如下文进一步描述。在柱140及150的部分周围形成另一绝缘体137，如下文进一步描述。

图1A及1B还说明具有第二高度151及第二横截面152的导电细长第二柱150，其在正交定向上定位在第二导体层120上的每一第二柱位置上，所述第二柱位置与通孔开口重合。因此，每一第二柱150通过相应通孔开口到达。第二高度151等于第一柱高度141、第一导体层110的厚度及绝缘体层130的厚度的总和。第二柱150以垂直定向定位到第二导体层120，并且延伸通过相应通孔开口。

在图2A到2B中，类似参考编号用于类似于图1A到1B中所展示的那些的元件，以便于解释。在图2A的俯视图中及图2B中的透视图中说明第一导体层210(对应于图1B中的110)及绝缘体层230(其对应于图1B中的层130)。第一导体层210及绝缘体层230通过以环绕第一导体层210的相应中央垫232的标记为233的圆形多边形排列的大体上相等大小及重合通孔开口231来图案化。如在图2A中所例示的实例圆形多边形233是由六个通孔开口组成的六边形。在其它实例阵列中，多边形可为等边三角形、正方形、矩形或八边形。通孔开口231具有优选的圆形轮廓，但其它形状是可能的并且可使用。第一导体层210的每一中央垫232具有足以容纳第一柱体240的区域。如在图2A的平面视图中所见，在此所说明实例中，通孔开口231定位成在有序行中以Z字形图案布置，其中循序行与Z字形序列交替。在替代布置中，其它通孔图案是可能的。

图1B、2A及2B说明具有第一高度(141或241)及第一横截面(142或242)的导电细长第一柱(140或240)定位在第一导体层(210或110)的中央垫(232或132)上。在此实例中，第一柱(140或240)经展示正交于第一导体层(110或210)的表面定向。彼此正交的元件具有在相应元件在元件的交叉处定向的方向之间具有90度角。如本文使用术语“正交”，应理解，在制造中，由于制造中的公差，柱与导体层之间的90度角会发生一些变化。作为实例，第一高度141(参见图1B)或241可在从约1μm到100μm的范围内。

在图3中，与图1A及1B中所展示元件类似的元件的参考编号是类似的，以便于理解。举例来说，图3中的第二柱350对应于图1A到1B中的第二柱150。图1A到1B及图3说明具有第二高度(151或351)且具有第二横截面(152或352)的导电细长第二柱(150或350)，第二柱以正交方向定位在每一第二导体层(120或320)位置上，其与通孔开口重合。因此，每一第二柱350通过相应通孔开口到达。第二高度(参见图1B中的151)等于第一高度141、第一导体层110的厚度及绝缘体层(330或130)的厚度的总和。第二柱350以垂直定向定位到第二导体层320并延伸通过相应通孔开口。

在实例传感器装置中，导电第一柱及第二柱可由以下各者形成：掺杂半导体材料；例如铜及铝的金属；石墨烯；以及这些材料的复合物。在稍后实例中，一些柱可部分为经掺杂半导体且部分为金属的。

在图1A、1B、2A、2B及3中所说明的实例中，第一柱及第二柱具有圆柱形状，并且第一柱的第一横截面(图1B中的142)及第二柱的第二横截面(图1B中的152)是圆形的；圆形圆周可在从约2μm到25μm的范围内。然而，在其它实例中，横截面可为椭圆形或具有具有大体上光滑表面的其它轮廓。实例包含在形状上为正方形、矩形及多边形的横截面。另外，第一柱及第二柱沿柱长度具有光滑表面。对于本文所使用的术语“光滑”，应理解，在制造中，由于制造中的公差，表面上会出现一些变化。在进一步替代布置中，所述柱可具有锥形侧，使得柱的底部部分处的横截面大于在顶部处的横截面，或者可反转锥形，使得顶部在横截面上大于柱的底部处截取的横截面。

每一第一柱140与环绕第二柱150通过相等间隙160间隔(参见图1B)。在实例传感器装置中，在从约2μm到约50μm的范围内选择间隙。用电介质介质170填充间隙，如由图1A中的点所指示。

电介质介质170在柱之间具有阻抗并且包含可由电场电离的分子。通过施加电压差，可在第一柱(图1B中的140)与第二柱(图1B中的150)之间产生此类电场；此类场更改电介质介质的阻抗。电介质介质可为空气、气体、流体或生物流体，并且可电离分子包含水分子、气体混合物及溶解分子。

图4A-4B总结用于封装半导体装置的示范性半导体传感器装置的制造工艺流程的步骤。在图5A到5M中的一系列横截面中说明工艺步骤中的一些。这些步骤由图6A到6C或在替代方法中由图7A到7D跟随。参考图4A中开始的工艺流程，在工艺流程的步骤401期间，提供半导体材料的衬底。半导体材料可为硅、硅锗、砷化镓、氮化镓、其它III-V或II-IV化合物，或用于制造的任何其它半导体化合物。在图5A到5M、图6A到6C或图7A到7D中，所使用的参考编号与图1A到1B的类似元件类似，以便于解释。举例来说，在图5A中，衬底500对应于图1A到1B中的衬底100。衬底500可为具有平面第一表面501及平行第二表面502的半导体晶片。集成电路(为解释清楚而未展示)可制造在衬底表面中的一者中，例如在第一表面501中。举例来说，所述集成电路可包含通过向所述导电柱施加电压、测量所述导电柱之间的阻抗以及将所观察结果作为数据输出以供系统使用来控制传感器的操作的电路。

下一个工艺步骤定义第一导体层的创建及图案化(参见图5E中所展示的510)。在图4A的工艺流程的步骤402期间并且在图5A的横截面中说明，将第一光致抗蚀剂层503施加到第一表面501并且将其图案化，使得光致抗蚀剂层的剩余区域503确定第一导体层的未来区域(图5E中的510)。在步骤403期间并且在图5B中所说明，从第一表面501垂直到衬底500的块体中蚀刻凹槽509。在实例工艺中，凹槽509具有相对于图5A到5M中所定向的第一表面501垂直的相等深度511、平坦底部512及侧壁513。如本文所使用，如果所述元件是水平、均匀及光滑的，那么所述元件为“平坦的”。在其它布置中，凹槽可具有不同形状。在实例布置中，凹槽可具有倾斜侧壁，其以一定角度与衬底的表面的平面交叉并且被垂直地蚀刻到所述衬底中。在实例中，凹槽可为V形的并且侧壁可在凹槽的底部彼此相交。在制造中，归因于制造公差，表面上可能发生一些变化，即使在意在为光滑及均匀的表面中也如此。本文所使用的术语“平坦”意指意在为光滑及均匀的表面。凹槽509经塑形为界定具有第一表面501的未蚀刻半导体材料的突起507的垫及互连的网络，在实例中，突起507在有序的行中以Z字形定位，其中循序行与Z字形序列交替。在此实例中，突起507在横截面上可为圆形的。在替代布置中，突起在横截面上可为椭圆形或具有另一形状。

再次参考图4A的工艺流程，在步骤404期间并且在图5C中所说明，从突起507去除第一光致抗蚀剂层503。在步骤405期间并且在图5D中所说明，用聚合物材料523填充凹槽509，直到聚合物材料523的表面521与突起507的第一表面501共面。

在下面的描述中，某些元件被描述为“共面”。共面元件位于同一平面中。然而，在制造中，归因于制造的公差，表面高度会发生一些变化。本文使用的术语“共面”意指意在位于同一平面中的两个元件，即使所制造表面中的一者或另一者的微小差异稍微在平面外。经定位使得两个元件的表面意在位于共同平面中的元件是共面的。

在图4A中的工艺流程的步骤406期间并且在图5E中所说明，通过将具有均匀高度的导电材料沉积到突起507的第一表面501上形成第一导体层510。用于第一导体层的导电材料可包含金属(例如铜及铝)、金属合金、石墨烯及掺杂半导体材料。在图4A中的工艺流程的步骤407期间并且在图5F中所说明，去除凹槽509中的聚合材料523，借此重新打开凹槽509并释放突起507，其中第一导体层510位于第一表面501上。

在图4A中的工艺流程的步骤408期间，将多个突起507分类为第一组及第二组。进行分类，使得第一组的突起与第二组的突起通过间隙间隔。在所描述实例中，间隙(参见图1A中的160)相等。在替代布置中，可使用不相等间隙。在图5F中，第一组的突起用指示符“I”标记，且第二组的突起用指示符“II”标记。类似分类的一维实例在图1A中通过沿线A-A定位的柱来说明。突起的此分类的二维结果是突起的配置，其中第一组的突起被由第二组的突起形成的圆形多边形环绕。实例在图2A中通过圆形多边形233来说明。

在图4A中的工艺流程的步骤409期间并且在图5G中所说明，第二光致抗蚀剂层562沉积到第二组突起(指定为II)的每一突起的顶部上的第一导体层510上。第二光致抗蚀剂层具有表面562a及厚度562b。

在图4A中的工艺流程的步骤410期间并且在图5H中所说明，用第一绝缘化合物530填充凹槽(图5G中的509)。在实例中，化合物530是电介质材料，例如氧化硅SiO_x(例如SiO₂)。可使用在半导体工艺中用作电介质材料的其它绝缘体。填充工艺继续直到绝缘化合物的表面530a与第二光致抗蚀剂层562的表面562a共面。由于此填充方法并与此填充工艺同时，跨越第一组突起(指定为I)的导体层510上形成第一绝缘化合物的共面层530。第一绝缘化合物530的这些共面层在本文称为第一绝缘体层(图1B中可见的第一层部分被指定为130)。第一绝缘体层530在第一组突起上方具有厚度530b，其等于光致抗蚀剂层562的厚度562b(参见图5G)。

在图4A中的工艺流程的步骤411期间并且在图5I中所说明，去除第二光致抗蚀剂层(参见图5H中的562)。现在，绝缘体层具有两个不同形状的部分；部分530是第二组突起II之间的那些部分，且部分531是位于第一组突起I上方的那些部分。因此，在由第一绝缘体层531占据的表面部分与展示第一导体层510的未被保护表面的表面部分之间形成对应于厚度531b的高度差。所述方法的下一个工艺步骤将放大这些高度差。应注意，图4A的工艺流程在图4B中继续。

为放大在图4B中的工艺流程的步骤412期间的高度差，并且在图5J中所说明，在第一绝缘化合物530的所有表面的顶部上(包含在第一绝缘体层531的部分的顶部上)创建并添加第三光致抗蚀剂层553。第三光致抗蚀剂层553具有厚度553b。如图5J说明，第三光致抗蚀剂层553与第一绝缘化合物530组合，在第二组突起II上围绕每一导体层510形成侧壁541。侧壁541的高度是第三光致抗蚀剂层553的厚度553b及标记为531的第一绝缘体层的部分的厚度531b的总和。

在图4B中的工艺流程的步骤413期间并且在图5K中所说明，将额外导电材料520沉积在第二组突起(标记为II)的第一导体层510上。导电材料520可包含金属、金属合金、石墨烯及掺杂半导体化合物。导电材料520可与导电材料510等同；作为实例，导电材料510及导电材料520包含铜及/或铜合金。沉积继续直到添加的导电材料520实现与第三光致抗蚀剂层553的表面553a共面的表面520a。添加的导电材料形成与第一导体层510平行的第二导体层520。

在图4B中的工艺流程的步骤414期间并且在图5L中所说明，去除第三光致抗蚀剂层553。因此，在第一绝缘体层531的部分的表面531a与传导材料520的表面520a之间形成高度差520b。下一个工艺步骤目的在于将这些高度差调平。

在图4B中的工艺流程的步骤415期间并且在图5M中所说明，跨越第一绝缘体层531及导电材料520的部分的表面沉积另一绝缘材料，从而将高度差调平并且额外地覆盖整个第一衬底表面。另外，绝缘化合物559的另一层跨越第一衬底表面的区域添加指定为绝缘体层561的具有厚度561b的连续平面绝缘层561。衬底500的新“第一”表面是绝缘的，并被指定为561a。出于机械稳定性及保护的原因，为绝缘层(图5M中的561)提供相对较大厚度对于一些应用(参见图1B中的对应层161)是有利的。

在工艺流程的此阶段处，存在对用于创建传感器装置的导电柱或电极的两种工艺的选择：第一种方法采用衬底的导电半导体来创建柱；此工艺由展示图6A到6C中的工艺步骤的一系列横截面说明且对应于图4B中的步骤416A、417A、418A。第二种方法通过另一导电材料(例如金属)来代替导电半导体材料。此方法在图7A到7D中展示工艺步骤的横截面中说明，并且对应于图4B中的工艺步骤416B到420B。应注意，用于图6A到6C中的类似元件的参考标签类似于图5A到5M中的那些参考标签，以便于解释。举例来说，衬底600对应于衬底500。

在第一种方法之后，在图4B中的工艺流程的步骤416A期间并且在图6A中所说明，将蚀刻停止材料的层675以斑点形式沉积在衬底600的第二表面602上，其与第一组的突起(标记为I)以及第二组的突起(标记为II)的位置及表面区域匹配。如上文提及，突起的表面区域可为圆形的。

在图4B的工艺流程的步骤417A期间并且在图6B中所说明，在不受蚀刻停止斑点675保护的位置中蚀刻半导体衬底600(参见图6A)的半导体材料。优选的是，蚀刻工艺使用适合于对单晶衬底600的所选晶体定向进行优先蚀刻的化学溶液。蚀刻工艺从第二表面602垂直地进入衬底600的块体中并继续，直到达到绝缘化合物630。此时，蚀刻工艺停止，这是因为剩余未蚀刻半导体材料由绝缘体630保护。如图6B展示，蚀刻工艺在第一组的突起I的位置中形成细长第一柱640，并且在第二组的突起II的位置中形成第二柱650。归因于沿晶体定向的优先蚀刻，柱(分别为640a及650a)的侧壁平行且光滑。也优选的是，柱具有圆形横截面。

在图4B中的工艺流程的步骤418A期间，并且在图6C中所说明，去除蚀刻停止层675，从而暴露柱顶部。结果，当施加电偏压时，细长导电柱(用于第一组突起的640，用于第二组的650)的所有表面作为电极自由参与。

遵循第二路线，在图4B中的工艺流程的步骤416B期间，并且在图7A中所说明，将蚀刻停止材料的层771以斑点形式沉积在衬底700的第二表面702上，其与用于创建凹槽509的垫及互连的网络的位置及表面区域匹配(在图7A中，展示用第一绝缘化合物730及731填充凹槽)。如较早论述，由于凹槽709界定第一组I及第二组II的圆形突起，所以蚀刻停止层使得圆形表面区域不受保护。蚀刻停止材料的层771具有表面771a。

在图4B中的工艺流程的步骤417B期间，并且在图7B中所说明，蚀刻未由蚀刻停止层771保护的衬底700的半导体材料的部分(参见图7A)。优选的是，蚀刻工艺使用适于优先蚀刻单晶衬底700的所选晶体定向的化学溶液。蚀刻工艺从第二表面702垂直地进行到衬底700的块体中，蚀刻掉组I及组II的突起，并且继续，直到到达沉积的导体710。此时，蚀刻工艺完成。如图7B展示，蚀刻工艺已产生具有平行侧壁780a及780b的狭槽709。沿长度，侧壁部分由衬底700的半导体材料780组成，且部分由第一绝缘化合物730及731组成。归因于优选蚀刻剂侵蚀晶体定向的方式，狭槽709的侧壁光滑。对于许多产物，狭槽优选具有圆形横截面。在替代布置中，横截面可为椭圆形或具有其它形状。

在图4B中的工艺流程的步骤418B期间，并且在图7C中所说明，对于第一及第二组突起，用导电材料740及750填充狭槽709(参见图7B)的整个长度及宽度。填充工艺继续，直到导电材料的表面750a与蚀刻停止层771的表面771a共面。结果，在图7C中所说明，填充工艺形成完全由导电材料构成的细长柱740、750；柱具有平行侧壁。导电材料可为金属、金属合金、石墨烯及掺杂半导体化合物。金属的实例是铜及铝以及铜及铝的合金。优选地，柱740、750中的导电材料与导电材料110(在图1A中)及导电材料720等同；作为实例，导电材料750以及导电材料7100及720包含铜。

在图4B中的工艺流程的步骤419B期间，并且在图7D中所说明，去除蚀刻停止层771。此后，在图4中的工艺流程的步骤420B期间且在图7D中也说明，也去除先前由蚀刻停止层771保护的半导体材料780(参见图7C)，借此释放导电材料的侧壁750b。结果，已产生细长柱740、750，其全部由导电材料(例如金属)组成。这多个柱740、750包含用标签I指定的柱740，其代替图1A及1B中的第一柱140，并且用标签II指定的柱750代替图1A及1B中的第二柱150。当施加电偏压时，柱740及柱750可使用组I及组II柱操作为第一及第二电极。当介质(图1A中的170)在电极之间由电偏压电离时，可感测到阻抗的变化。在实例中，空气的湿度含量可使用电离来确定。气体浓度、血气浓度、流体化学及其它测量也可类似地进行。

图8A到8B在横截面视图中说明封装传感器装置。在图8A中，展示线接合封装传感器装置布置800。例如用于电子封装的铜引线框架或其它衬底的衬底807经展示具有通过裸片附接粘合剂805附接在第一表面上的半导体装置801。衬底上的焊盘813通过接合线811耦合到半导体装置801的作用表面上的接合垫815。例如环氧树脂、聚酰亚胺、环氧树脂或热固性环氧树脂的模塑料形成部分817，其覆盖接合线811及衬底807的第一表面。衬底807的剩余部分从模塑料817暴露，并且可形成布置800的外部端子(为简化说明而未展示)。传感器803经展示为形成在半导体装置801的作用表面上并且从模塑料部分817暴露，以使传感器能够允许介质(举例来说，周围环境)存在于其中可发生电离的导电柱之间的间隙中。

图8B在类似横截面视图中说明使用倒装芯片安装的半导体装置801的类似于图8A的封装传感器装置布置的封装传感器装置布置802。布置802的封装使半导体装置801(关于封装800)“面朝下”安装；使得传感器803朝向系统板(未展示)向下延伸，其中封装传感器装置802将被表面安装。可为具有焊料凸块的焊料球或导电柱凸块的焊料823在半导体装置801的作用表面上的接合垫及衬底819之间形成连接，衬底819可为印刷电路板、陶瓷、层压板、胶带或薄膜，并且其可承载例如重分布层的导体的层。焊料球821耦合到衬底819的外表面上的焊盘，以提供封装传感器装置布置802的电端子。封装可使用模塑料、环氧树脂或树脂818密封，以覆盖半导体装置801的部分，同时使传感器803的导电柱暴露于环境。

图9A及9B在横截面视图中说明传感器及半导体装置的两种可能布置。在图9A中所展示的布置900中，传感器903包含朝向系统板(未展示)延伸的导电柱，其中半导体装置901将使用焊料球923安装。在图9B中，在替代布置902中，传感器903在半导体装置901的相对侧上定向，并且导电柱指离系统板(未展示)，半导体装置901将使用焊料球925表面安装到所述系统板。

在图8A到8B、9A到9B中的每一者中，半导体装置(801或901)可提供传感器803、903。在一些实例布置中，半导体装置801或901可包含额外集成电路系统。举例来说，可在与传感器803、903相同的半导体装置801、901上提供控制器或处理器，并且可向导电柱施加偏置电压。在额外替代方案中，图8A到8B、9A到9B中的半导体装置801、901可为离散传感器装置，其可耦合到提供操作传感器所需的控制及电压的其它集成电路(未展示)。电流、电压及/或电导率的测量使得能够在电离期间直接测量电介质，在说明性实例中，处理器可使用这些测量来直接测量空气或另一电介质的湿气或湿度。

在权利要求书的范围内，修改在所描述布置中是可能的，并且其它替代布置是可能的。