[发明专利]包含具有贯穿衬底通孔结构的键合芯片组件的三维存储器件及其制造方法

说明书

多个半导体芯片可以通过铜‑铜键合来键合。多个半导体芯片包括逻辑芯片和多个存储器芯片。逻辑芯片包括外围电路以用于多个存储器芯片内的存储器件的操作。存储器芯片可以包括前侧键合焊盘结构、后侧键合焊盘结构以及在成对的第一侧键合焊盘结构和后侧键合焊盘结构之间提供导电路径的多组金属互连结构。因此，电控制信号可以通过位于逻辑芯片和上覆的存储器芯片之间的至少一个中间存储器芯片在逻辑芯片和存储器芯片之间竖直传播。可以将后侧键合焊盘结构形成为延伸穿过相应的半导体衬底的集成贯穿衬底通孔与焊盘结构的部分。

相关申请

本申请要求于2018年3月22日提交的美国非临时专利申请序列号15/928,340和15/928,407的优先权权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开总体上涉及半导体器件领域，并且特别涉及包含具有贯穿衬底通孔(TSV)结构的键合芯片组件的三维存储器器件及其制造方法。

背景技术

三维NAND闪存器件可以用于成像产品、可移除存储产品、企业和客户端固态器件以及嵌入式存储器件中。为了以较低的成本实现高密度，应当减小存储器开口的节距(pitch)，并且应当增加绝缘层和字线的交替堆叠中的字线的数量。这增加了用于形成存储器开口的蚀刻工艺和用于形成字线的金属替换工艺的复杂性。对于三维NAND存储器件使用多叠层(multi-tier)结构进一步增加了制造工艺的复杂性。

发明内容

根据本公开的一方面，提供一种芯片组件(assembly)结构，其包括：第一半导体芯片，其包括第一半导体衬底、位于第一半导体衬底的前侧表面上方的第一半导体器件以及第一集成贯穿衬底通孔与焊盘结构，该第一集成贯穿衬底通孔与焊盘结构包括相应的第一贯穿衬底通孔结构和相应的第一键合焊盘结构并包括第一金属材料，其中第一集成贯穿衬底通孔与焊盘结构从第一半导体衬底的前侧表面竖直延伸到第一半导体衬底的后侧表面，并通过相应的管状绝缘间隔物和接触第一半导体衬底的后侧表面的后侧绝缘层与第一半导体衬底电隔离，其中每个第一集成贯穿衬底通孔与焊盘结构在包括第一半导体衬底的前侧表面的水平平面内比在包括第一半导体衬底的后侧表面的水平平面内具有更大的横向尺寸；以及第二半导体芯片，其包括第二半导体衬底、位于第二半导体衬底的前侧表面上方的第二半导体器件以及电连接到第二半导体器件中的相应一个的第二键合焊盘结构，其中第一键合焊盘结构直接键合到第二键合焊盘结构中的相应一个。

根据本公开的另一方面，提供一种芯片组件结构，其包括：第一半导体芯片，其包括第一半导体衬底、位于第一半导体衬底的前侧表面上方的第一半导体器件、从第一半导体衬底的前侧表面竖直延伸到第一半导体衬底的后侧表面并通过相应的管状绝缘间隔物和与第一半导体衬底的后侧表面接触的后侧绝缘层与第一半导体衬底电隔离的第一贯穿衬底通孔结构，以及在第一半导体衬底的后侧位于第一贯穿衬底通孔结构上的第一后侧键合焊盘结构，其中第一半导体器件包括三维存储器件，该三维存储器件包括绝缘层与导电层的交替堆叠以及包括位于导电层的层级处的存储器元件的相应竖直堆叠的存储器堆叠结构的二维阵列；第二半导体芯片，其包括第二半导体衬底、位于第二半导体衬底的前侧表面上方的第二半导体器件以及电连接到第二半导体器件中的相应一个的第二键合焊盘结构，其中第一后侧键合焊盘结构直接键合到第二键合焊盘结构中的相应一个，其中第二半导体芯片中的第二半导体器件包括外围器件，该外围器件提供用于第一半导体芯片中的存储器堆叠结构的二维阵列的操作的控制信号；以及第三半导体芯片，其包括第三半导体衬底、位于第三半导体衬底的前侧表面上方的第三半导体器件以及电连接到第三半导体器件中的相应一个的第三芯片后侧键合焊盘结构，其中第一半导体芯片还包括电连接到第一后侧键合焊盘结构并直接键合到第三芯片后侧键合焊盘结构中的相应一个的第一前侧键合焊盘结构。