歷史首次！三星將使用長(cháng)江存儲專(zhuān)利技術(shù)

據韓國媒體ZDNet Korea 2月24日報道稱(chēng)，三星電子近期已與中國存儲芯片廠(chǎng)商長(cháng)江存儲簽署了開(kāi)發(fā)堆疊400多層NAND Flash所需的“混合鍵合”（Hybrid Bonding）技術(shù)的專(zhuān)利許可協(xié)議，以便從其第10代（V10）NAND Flash產(chǎn)品（430層）開(kāi)始使用該專(zhuān)利技術(shù)來(lái)進(jìn)行制造。

報道稱(chēng)，三星之所以選擇向長(cháng)江存儲獲取“混合鍵合”專(zhuān)利授權，主要由于目前長(cháng)江存儲在“混合鍵合”技術(shù)方面處于全球領(lǐng)先地位。并且三星經(jīng)過(guò)評估認為，從下一代V10 NAND開(kāi)始，其已經(jīng)無(wú)法再避免長(cháng)江存儲專(zhuān)利的影響。

3D NAND為何需要“混合鍵合”技術(shù)？

過(guò)去傳統的NAND Flash制造是只使用一塊晶圓，NAND 陣列和CMOS電路的集成要么是將CMOS電路放置在單元陣列旁邊（CMOS Next Array 或 CAN），要么將CMOS電路放置在 NAND 陣列 (CUA) 下方。

大多數 NAND Flash供應商在其最初的 3D NAND 工藝中實(shí)施 CAN 方法，然后在后續工藝中遷移到 CUA架構。僅美光和Solidigm 在 32 層 3D NAND 路線(xiàn)圖之初就實(shí)施了 CUA架構。隨后三星、SK海力士也轉向了CUA架構，三星稱(chēng)之為COP（Cell-on-Perry），SK海力士稱(chēng)之為PUC（Cell-Under-Cell）。

在傳統3D NAND架構中，外圍電路約占芯片面積的20~30%。而隨著(zhù)3D NAND技術(shù)堆疊到128層甚至更高，外圍電路所占據的芯片面積或將達到50%以上，這也造成了存儲密度的降低。同時(shí)，這種方法最多可容納300多層的NAND，否則施加于底部電路上的壓力可能會(huì )對電路造成損壞。

為了解決這一問(wèn)題，長(cháng)江存儲早在2018年推出了全新的Xtacking技術(shù)，推動(dòng)了高堆疊層數的3D NAND制造開(kāi)始轉向了CBA（CMOS 鍵合陣列）架構。

△圖片來(lái)源：YMTC

CBA 架構則是通過(guò)將兩塊獨立的晶圓分別制造NAND陣列和外圍CMOS邏輯電路，然后將CMOS邏輯電路堆疊在NAND陣列之上。

由于NAND晶圓和CMOS電路晶圓可以在不同的生產(chǎn)線(xiàn)上制造，因此可以使用各自?xún)?yōu)化的工藝節點(diǎn)分別生產(chǎn)，不僅可以縮短生產(chǎn)周期，還可以降低制造復雜度和成本。同時(shí)，CBA 架構也可以使得NAND芯片的每平方毫米的存儲密度、性能和可擴展性可以進(jìn)一步提高。

而對于采用CBA架構的NAND廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，要想將分別用于制造NAND陣列和外圍CMOS邏輯電路的兩片晶圓進(jìn)行完美的垂直互連，就必須要用到混合鍵合技術(shù)。

目前混合鍵合技術(shù)主要有兩類(lèi)，晶圓到晶圓（Wafer-to-Wafer, W2W）和裸片到晶圓（Die-to-Wafer, D2W）。

CBA架構的NAND正是基于W2W的混合鍵合技術(shù)，省去了傳統芯片連接中所需的“凸點(diǎn)”（Bump），形成間距為10μm 及以下的互連，使得電路路徑變得更短、I/O密度大幅提升，從而顯著(zhù)提高了傳輸速率，并降低了功耗，同時(shí)還減少芯片內部的機械應力，提高產(chǎn)品的整體可靠性。

同時(shí)，由于堆疊層數越來(lái)越高，未來(lái)NAND Flash前端的集成也由原來(lái)的NAND陣列（Array）+CMOS電路層堆疊，轉向NAND陣列+NAND陣列+CMOS電路層堆疊，因此也帶來(lái)更多的“混合鍵合”需求。

可以說(shuō)，對于3D NAND廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，要想發(fā)展400層以上的NAND堆疊，混合鍵合技術(shù)已經(jīng)成為了一項核心技術(shù)。

長(cháng)江存儲已建立技術(shù)優(yōu)勢

作為率先轉向CBA架構的3D NAND廠(chǎng)商，長(cháng)江存儲在2018年推出自研的Xtacking技術(shù)之后，在CBA架構方向上已經(jīng)進(jìn)行了大量的投資。2021年，長(cháng)江存儲還與Xperi達成DBI混合鍵合技術(shù)等相關(guān)專(zhuān)利組合許可。這些方面的積極投入都成為了長(cháng)江存儲能夠快速在數年時(shí)間內在NAND Flash技術(shù)上追平國際一線(xiàn)廠(chǎng)商的關(guān)鍵。

目前，長(cháng)江存儲自研的Xtacking技術(shù)已經(jīng)進(jìn)展到了4.x版本，并且成功量產(chǎn)了160層、192層、232層產(chǎn)品。最新研究報告顯示，長(cháng)江存儲今年早些時(shí)候還成功實(shí)現了2yy（預估270層）3D TLC（三級單元）NAND 商業(yè)化。 

雖然目前頭部的3D NAND大廠(chǎng)都已經(jīng)量產(chǎn)了200層以上的3D NAND，并積極量產(chǎn)300層3D NAND，甚至開(kāi)始向400層以上邁進(jìn)。

比如，2024年11月，SK海力士宣布即將開(kāi)始量產(chǎn)全球最高的321層3D NAND。三星隨后也宣布將在國際固態(tài)電路會(huì )議（ISSCC）上展示了新的超過(guò)400層3D NAND，接口速度為5.6 GT/s。但是，長(cháng)江存儲2yy 3D NAND 依然是目前已經(jīng)商用的3D NAND產(chǎn)品當中堆疊層數最高、存儲密度最高的。

TechInsights表示：“長(cháng)江存儲的2yy 3D NAND是我們在市場(chǎng)上發(fā)現的密度最高的NAND”，“最重要的是，它是業(yè)內第一個(gè)實(shí)現超過(guò)20Gb/mm?位密度的3D NAND”。

顯然，雖然長(cháng)江存儲近年來(lái)發(fā)展受到了外部的各種限制，其依然憑借自研的Xtacking技術(shù)居于行業(yè)領(lǐng)先地位。這其中的關(guān)鍵在于，長(cháng)江存儲率先轉向CBA架構，并實(shí)現了混合鍵合的技術(shù)良率穩定。在這過(guò)程當中，長(cháng)江存儲在Xperi混合鍵合技術(shù)基礎上，也已經(jīng)積累了非常多自研的混合鍵合技術(shù)和其他3D NAND制造技術(shù)專(zhuān)利。

值得一提的是，在2023年11月，長(cháng)江存儲在美國起訴3D NAND芯片大廠(chǎng)美國侵犯其8項3D NAND專(zhuān)利。

隨后在2024年7月，長(cháng)江存儲又在美國起訴美光侵犯其11項專(zhuān)利。這也從側面凸顯了長(cháng)江存儲近年來(lái)在3D NAND領(lǐng)域豐富的技術(shù)專(zhuān)利積累。

大廠(chǎng)轉向CBA架構遲緩

對于三星、SK海力士等傳統3D NAND大廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，其在傳統的單片晶圓生產(chǎn)方面具有很大的技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)能優(yōu)勢。但是如果從傳統的單片晶圓生產(chǎn)，轉換到CBA 架構兩片晶圓生產(chǎn)，無(wú)疑需要增加對新的潔凈室空間和設備的額外投資，同時(shí)還將面臨混合鍵合技術(shù)所帶來(lái)的良率挑戰，這也使得他們轉向CBA架構的意愿并不積極。

作為從東芝半導體獨立出來(lái)的鎧俠，其是繼長(cháng)江存儲之后首批采用CBA 架構技術(shù)大規模生產(chǎn)3D NAND產(chǎn)品的主要制造商，但是他們的基于CBA架構的第八代技術(shù)（BiCS8）的218層3D NAND直到2024年下半年才量產(chǎn)。

SK海力士和美光雖然分別在2020年和2022年向Xperi（子公司Adeia）拿到了混合鍵合技術(shù)的授權。但是，SK海力士、美光都計劃2025年才量產(chǎn)基于CBA 架構的300層以上的3D NAND。三星則計劃于2026年（最快2025年底）才量產(chǎn)基于CBA架構的第10代堆疊層數超過(guò)400層的V-NAND。

TechInsights 的 Jeongdong Choi 博士在最近接受記者采訪(fǎng)時(shí)表示，“長(cháng)江存儲在如此短的時(shí)間內實(shí)施了超過(guò) 16 層和 232 層的層數，這令人驚訝。盡管面臨設備采購上的限制，但似乎蝕刻、ALD（原子層沉積）工藝和翹曲預防工藝都得到了很好的優(yōu)化?！?/p>

相比之下，“三星從V10開(kāi)始，采用三重堆棧，總共使用兩個(gè)晶圓的混合鍵合。由于工藝轉換和新設施投資等許多變化，制造成本必然比長(cháng)期使用混合鍵合的長(cháng)江存儲高得多?！盝eongdong Choi解釋道。

難以規避的專(zhuān)利壁壘

正因為三星、SK海力士等大廠(chǎng)轉向CBA架構的遲緩，使得它們在面對已經(jīng)在CBA架構3D NAND和配套的混合鍵合技術(shù)上已持續投入多年的長(cháng)江存儲時(shí)，將會(huì )不可不避免的面臨專(zhuān)利方面的障礙。

資料顯示，目前混合鍵合技術(shù)專(zhuān)利主要被Xperi、長(cháng)江存儲和臺積電所掌控。但是，Xperi這家公司主要是做技術(shù)許可，而臺積電也主要是做邏輯芯片制造，顯然長(cháng)江存儲在3D NAND研發(fā)制造過(guò)程當中所積累的混合鍵合技術(shù)專(zhuān)利對于其他3D NAND制造商來(lái)說(shuō)，想要規避可能將面臨更大的挑戰。

ZDNet Korea報道稱(chēng)，多位知情人士表示，三星與長(cháng)江存儲簽署“混合鍵合”技術(shù)專(zhuān)利許可協(xié)議，是因為三星的判斷是“開(kāi)發(fā) V10、V11 和 V12 等下一代 NAND Flash，幾乎不可能規避長(cháng)江存儲的專(zhuān)利”。

根據三星的計劃，其目標是最快在今年年底開(kāi)始量產(chǎn)V10，因此需要在此之前盡快解決相關(guān)專(zhuān)利問(wèn)題。

所以，三星與長(cháng)江存儲簽署了與混合鍵合專(zhuān)利相關(guān)許可協(xié)議的舉動(dòng)，被認為是一種通過(guò)友好合作，來(lái)加速技術(shù)開(kāi)發(fā)的策略。不過(guò)，目前尚不清楚三星是否也獲得了Xperi 等其他公司的專(zhuān)利許可。

對于長(cháng)江存儲來(lái)說(shuō)，此次向三星這樣的頭部存儲技術(shù)大廠(chǎng)提供專(zhuān)利許可，屬于是中國存儲產(chǎn)業(yè)歷史上的首次，充分凸顯了長(cháng)江存儲在3D NAND領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新實(shí)力。

值得一提的是，在得到了三星的認可之后，SK海力士等尚未量產(chǎn)CBA架構產(chǎn)品的3D NAND廠(chǎng)商后續可能也將會(huì )尋求向長(cháng)江存儲獲取“混合鍵合”專(zhuān)利許可授權。