歷史首次！三星將使用長江存儲專利技術

據(jù)韓國媒體ZDNet Korea 2月24日報道稱，三星電子近期已與中國存儲芯片廠商長江存儲簽署了開發(fā)堆疊400多層NAND Flash所需的“混合鍵合”（Hybrid Bonding）技術的專利許可協(xié)議，以便從其第10代（V10）NAND Flash產品（430層）開始使用該專利技術來進行制造。

報道稱，三星之所以選擇向長江存儲獲取“混合鍵合”專利授權，主要由于目前長江存儲在“混合鍵合”技術方面處于全球領先地位。并且三星經(jīng)過評估認為，從下一代V10 NAND開始，其已經(jīng)無法再避免長江存儲專利的影響。

3D NAND為何需要“混合鍵合”技術？

過去傳統(tǒng)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(shù) NAND Flash供應商在其最初的 3D NAND 工藝中實施 CAN 方法，然后在后續(xù)工藝中遷移到 CUA架構。僅美光和Solidigm 在 32 層 3D NAND 路線圖之初就實施了 CUA架構。隨后三星、SK海力士也轉向了CUA架構，三星稱之為COP（Cell-on-Perry），SK海力士稱之為PUC（Cell-Under-Cell）。

在傳統(tǒng)3D NAND架構中，外圍電路約占芯片面積的20~30%。而隨著3D NAND技術堆疊到128層甚至更高，外圍電路所占據(jù)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，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對電路造成損壞。

為了解決這一問題，長江存儲早在2018年推出了全新的Xtacking技術，推動了高堆疊層數(shù)的3D NAND制造開始轉向了CBA（CMOS 鍵合陣列）架構。

△圖片來源：YMTC

CBA 架構則是通過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線上制造，因此可以使用各自優(yōu)化的工藝節(jié)點分別生產，不僅可以縮短生產周期，還可以降低制造復雜度和成本。同時，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一步提高。

而對于采用CBA架構的NAND廠商來說，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行完美的垂直互連，就必須要用到混合鍵合技術。

目前混合鍵合技術主要有兩類，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，省去了傳統(tǒng)芯片連接中所需的“凸點”（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，從而顯著提高了傳輸速率，并降低了功耗，同時還減少芯片內部的機械應力，提高產品的整體可靠性。

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

可以說，對于3D NAND廠商來說，要想發(fā)展400層以上的NAND堆疊，混合鍵合技術已經(jīng)成為了一項核心技術。

長江存儲已建立技術優(yōu)勢

作為率先轉向CBA架構的3D NAND廠商，長江存儲在2018年推出自研的Xtacking技術之后，在CBA架構方向上已經(jīng)進行了大量的投資。2021年，長江存儲還與Xperi達成DBI混合鍵合技術等相關專利組合許可。這些方面的積極投入都成為了長江存儲能夠快速在數(shù)年時間內在NAND Flash技術上追平國際一線廠商的關鍵。

目前，長江存儲自研的Xtacking技術已經(jīng)進展到了4.x版本，并且成功量產了160層、192層、232層產品。最新研究報告顯示，長江存儲今年早些時候還成功實現(xiàn)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大廠都已經(jīng)量產了200層以上的3D NAND，并積極量產300層3D NAND，甚至開始向400層以上邁進。

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

TechInsights表示：“長江存儲的2yy 3D NAND是我們在市場上發(fā)現(xiàn)的密度最高的NAND”，“最重要的是，它是業(yè)內第一個實現(xiàn)超過20Gb/mm?位密度的3D NAND”。

顯然，雖然長江存儲近年來發(fā)展受到了外部的各種限制，其依然憑借自研的Xtacking技術居于行業(yè)領先地位。這其中的關鍵在于，長江存儲率先轉向CBA架構，并實現(xiàn)了混合鍵合的技術良率穩(wěn)定。在這過程當中，長江存儲在Xperi混合鍵合技術基礎上，也已經(jīng)積累了非常多自研的混合鍵合技術和其他3D NAND制造技術專利。

值得一提的是，在2023年11月，長江存儲在美國起訴3D NAND芯片大廠美國侵犯其8項3D NAND專利。

隨后在2024年7月，長江存儲又在美國起訴美光侵犯其11項專利。這也從側面凸顯了長江存儲近年來在3D NAND領域豐富的技術專利積累。

大廠轉向CBA架構遲緩

對于三星、SK海力士等傳統(tǒng)3D NAND大廠來說，其在傳統(tǒng)的單片晶圓生產方面具有很大的技術優(yōu)勢和產能優(yōu)勢。但是如果從傳統(tǒng)的單片晶圓生產，轉換到CBA 架構兩片晶圓生產，無疑需要增加對新的潔凈室空間和設備的額外投資，同時還將面臨混合鍵合技術所帶來的良率挑戰(zhàn)，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的鎧俠，其是繼長江存儲之后首批采用CBA 架構技術大規(guī)模生產3D NAND產品的主要制造商，但是他們的基于CBA架構的第八代技術（BiCS8）的218層3D NAND直到2024年下半年才量產。

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的授權。但是，SK海力士、美光都計劃2025年才量產基于CBA 架構的300層以上的3D NAND。三星則計劃于2026年（最快2025年底）才量產基于CBA架構的第10代堆疊層數(shù)超過400層的V-NAND。

TechInsights 的 Jeongdong Choi 博士在最近接受記者采訪時表示，“長江存儲在如此短的時間內實施了超過 16 層和 232 層的層數(shù)，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。”

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

難以規(guī)避的專利壁壘

正因為三星、SK海力士等大廠轉向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上已持續(xù)投入多年的長江存儲時，將會不可不避免的面臨專利方面的障礙。

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

ZDNet Korea報道稱，多位知情人士表示，三星與長江存儲簽署“混合鍵合”技術專利許可協(xié)議，是因為三星的判斷是“開發(fā) V10、V11 和 V12 等下一代 NAND Flash，幾乎不可能規(guī)避長江存儲的專利”。

根據(jù)三星的計劃，其目標是最快在今年年底開始量產V10，因此需要在此之前盡快解決相關專利問題。

所以，三星與長江存儲簽署了與混合鍵合專利相關許可協(xié)議的舉動，被認為是一種通過友好合作，來加速技術開發(fā)的策略。不過，目前尚不清楚三星是否也獲得了Xperi 等其他公司的專利許可。

對于長江存儲來說，此次向三星這樣的頭部存儲技術大廠提供專利許可，屬于是中國存儲產業(yè)歷史上的首次，充分凸顯了長江存儲在3D NAND領域的技術創(chuàng)新實力。

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CBA架構產品的3D NAND廠商后續(xù)可能也將會尋求向長江存儲獲取“混合鍵合”專利許可授權。