历史首次！三星将使用长江存储专利技术！

据韩国媒体ZDNet Korea 2月24日报道称，三星电子近期已与中国存储芯片厂商长江存储签署了开发堆叠400多层NAND Flash所需的“混合键合”（Hybrid Bonding）技术的专利许可协议，以便从其第10代（V10）NAND Flash产品（430层）开始使用该专利技术来进行制造。

报道称，三星之所以选择向长江存储获取“混合键合”专利授权，主要由于目前长江存储在“混合键合”技术方面处于全球领先地位。并且三星经过评估认为，从下一代V10 NAND开始，其已经无法再避免长江存储专利的影响。

3D NAND为何需要“混合键合”技术？

过去传统的NAND Flash制造是只使用一块晶圆，NAND 阵列和CMOS电路的集成要么是将CMOS电路放置在单元阵列旁边（CMOS Next Array 或 CAN），要么将CMOS电路放置在 NAND 阵列 (CUA) 下方。

大多数 NAND Flash供应商在其最初的 3D NAND 工艺中实施 CAN 方法，然后在后续工艺中迁移到 CUA架构。仅美光和Solidigm 在 32 层 3D NAND 路线图之初就实施了 CUA架构。随后三星、SK海力士也转向了CUA架构，三星称之为COP（Cell-on-Perry），SK海力士称之为PUC（Cell-Under-Cell）。

在传统3D NAND架构中，外围电路约占芯片面积的20~30%。而随着3D NAND技术堆叠到128层甚至更高，外围电路所占据的芯片面积或将达到50%以上，这也造成了存储密度的降低。同时，这种方法最多可容纳300多层的NAND，否则施加于底部电路上的压力可能会对电路造成损坏。

为了解决这一问题，长江存储早在2018年推出了全新的Xtacking技术，推动了高堆叠层数的3D NAND制造开始转向了CBA（CMOS 键合阵列）架构。

△图片来源：YMTC

CBA 架构则是通过将两块独立的晶圆分别制造NAND阵列和外围CMOS逻辑电路，然后将CMOS逻辑电路堆叠在NAND阵列之上。由于NAND晶圆和CMOS电路晶圆可以在不同的生产线上制造，因此可以使用各自优化的工艺节点分别生产，不仅可以缩短生产周期，还可以降低制造复杂度和成本。同时，CBA 架构也可以使得NAND芯片的每平方毫米的存储密度、性能和可扩展性可以进一步提高。

而对于采用CBA架构的NAND厂商来说，要想将分别用于制造NAND阵列和外围CMOS逻辑电路的两片晶圆进行完美的垂直互连，就必须要用到混合键合技术。

目前混合键合技术主要有两类，晶圆到晶圆（Wafer-to-Wafer, W2W）和裸片到晶圆（Die-to-Wafer, D2W）。CBA架构的NAND正是基于W2W的混合键合技术，省去了传统芯片连接中所需的“凸点”（Bump），形成间距为10μm 及以下的互连，使得电路路径变得更短、I/O密度大幅提升，从而显著提高了传输速率，并降低了功耗，同时还减少芯片内部的机械应力，提高产品的整体可靠性。

同时，由于堆叠层数越来越高，未来NAND Flash前端的集成也由原来的NAND阵列（Array）+CMOS电路层堆叠，转向NAND阵列+NAND阵列+CMOS电路层堆叠，因此也带来更多的“混合键合”需求。

可以说，对于3D NAND厂商来说，要想发展400层以上的NAND堆叠，混合键合技术已经成为了一项核心技术。

长江存储已建立技术优势

作为率先转向CBA架构的3D NAND厂商，长江存储在2018年推出自研的Xtacking技术之后，在CBA架构方向上已经进行了大量的投资。2021年，长江存储还与Xperi达成DBI混合键合技术等相关专利组合许可。这些方面的积极投入都成为了长江存储能够快速在数年时间内在NAND Flash技术上追平国际一线厂商的关键。

目前，长江存储自研的Xtacking技术已经进展到了4.x版本，并且成功量产了160层、192层、232层产品。最新研究报告显示，长江存储今年早些时候还成功实现了2yy（预估270层）3D TLC（三级单元）NAND 商业化。

虽然目前头部的3D NAND大厂都已经量产了200层以上的3D NAND，并积极量产300层3D NAND，甚至开始向400层以上迈进。比如，2024年11月，SK海力士宣布即将开始量产全球最高的321层3D NAND。三星随后也宣布将在国际固态电路会议（ISSCC）上展示了新的超过400层3D NAND，接口速度为5.6 GT/s。但是，长江存储2yy 3D NAND 依然是目前已经商用的3D NAND产品当中堆叠层数最高、存储密度最高的。

TechInsights表示：“长江存储的2yy 3D NAND是我们在市场上发现的密度最高的NAND”，“最重要的是，它是业内第一个实现超过20Gb/mm²位密度的3D NAND”。

显然，虽然长江存储近年来发展受到了外部的各种限制，其依然凭借自研的Xtacking技术居于行业领先地位。这其中的关键在于，长江存储率先转向CBA架构，并实现了混合键合的技术良率稳定。在这过程当中，长江存储在Xperi混合键合技术基础上，也已经积累了非常多自研的混合键合技术和其他3D NAND制造技术专利。

值得一提的是，在2023年11月，长江存储在美国起诉3D NAND芯片大厂美国侵犯其8项3D NAND专利。随后在2024年7月，长江存储又在美国起诉美光侵犯其11项专利。这也从侧面凸显了长江存储近年来在3D NAND领域丰富的技术专利积累。

大厂转向CBA架构迟缓

对于三星、SK海力士等传统3D NAND大厂来说，其在传统的单片晶圆生产方面具有很大的技术优势和产能优势。但是如果从传统的单片晶圆生产，转换到CBA 架构两片晶圆生产，无疑需要增加对新的洁净室空间和设备的额外投资，同时还将面临混合键合技术所带来的良率挑战，这也使得他们转向CBA架构的意愿并不积极。

作为从东芝半导体独立出来的铠侠，其是继长江存储之后首批采用CBA 架构技术大规模生产3D NAND产品的主要制造商，但是他们的基于CBA架构的第八代技术（BiCS8）的218层3D NAND直到2024年下半年才量产。

SK海力士和美光虽然分别在2020年和2022年向Xperi（子公司Adeia）拿到了混合键合技术的授权。但是，SK海力士、美光都计划2025年才量产基于CBA 架构的300层以上的3D NAND。三星则计划于2026年（最快2025年底）才量产基于CBA架构的第10代堆叠层数超过400层的V-NAND。

TechInsights 的 Jeongdong Choi 博士在最近接受记者采访时表示，“长江存储在如此短的时间内实施了超过 16 层和 232 层的层数，这令人惊讶。尽管面临设备采购上的限制，但似乎蚀刻、ALD（原子层沉积）工艺和翘曲预防工艺都得到了很好的优化。”

相比之下，“三星从V10开始，采用三重堆栈，总共使用两个晶圆的混合键合。由于工艺转换和新设施投资等许多变化，制造成本必然比长期使用混合键合的长江存储高得多。”Jeongdong Choi解释道。

难以规避的专利壁垒

正因为三星、SK海力士等大厂转向CBA架构的迟缓，使得它们在面对已经在CBA架构3D NAND和配套的混合键合技术上已持续投入多年的长江存储时，将会不可不避免的面临专利方面的障碍。

资料显示，目前混合键合技术专利主要被Xperi、长江存储和台积电所掌控。Knowmade的数据显示，2017年至2024年1月间，长江存储披露了119项与混合键相关专利。相比之下，三星电子尽管早在2015年就开始发表专利，但到2023年底仅披露了83项专利。SK海力士后来开始申请专利，仅披露了11项专利。

其中，长江存储与混合键合相关的专利可分为三大类：采用混合键合互连的半导体结构或器件，混合粘结制造工艺与接口工程，以及用于混合结合的设备。虽然大多数专利集中在混合键合结构和器件上，但混合键合工艺本身最近也引起了行业关键领域的重大知识产权关注。

目前，前三大知识产权公司Adeia、台积电和长江存储是混合键合领域的领先专利转让方。他们的创新主要旨在提升工艺可靠性，包括应力管理、粘合强度和粘结结构对齐。这一重点反映了持续的研发努力，旨在进一步推进混合键合技术。

在1600个与混合键合相关的专利家族中，Knowmade已识别出280多项关键专利发明，这些发明在现有技术、知识产权风险和技术方面最为关键。主要专利受让人包括台多电、Adeia、英特尔、长江存储和三星，拥有关键的混合键合相关专利，涉及键合工艺和键合半导体结构或器件。

Xperi这家公司主要是做技术许可，而台积电也主要是做逻辑芯片制造，显然长江存储在3D NAND研发制造过程当中所积累的混合键合技术专利对于其他3D NAND制造商来说，想要规避可能将面临更大的挑战。

此外，Knowmade指出，在280多项混合键合关键发明专利中，长江存储至少拥有25个关键专利家族。这些创新旨在通过混合键合实现的三维（3D）堆叠，推动内存密度、性能和集成的极限。该公司的关键专利系统性地解决平面架构的瓶颈，如扩展性、成本和集成限制，通过引入垂直集成的设备结构。长江存储的关键混合键合相关专利反映了先进三维存储架构（NAND、DRAM、SRAM）、创新混合键合技术、逻辑与内存的异构集成以及制造工艺优化的融合。

ZDNet Korea报道称，多位知情人士表示，三星与长江存储签署“混合键合”技术专利许可协议，是因为三星的判断是“开发 V10、V11 和 V12 等下一代 NAND Flash，几乎不可能规避长江存储的专利”。

根据三星的计划，其目标是最快在今年年底开始量产V10，因此需要在此之前尽快解决相关专利问题。

所以，三星与长江存储签署了与混合键合专利相关许可协议的举动，被认为是一种通过友好合作，来加速技术开发的策略。不过，目前尚不清楚三星是否也获得了Xperi 等其他公司的专利许可。

对于长江存储来说，此次向三星这样的头部存储技术大厂提供专利许可，属于是中国存储产业历史上的首次，充分凸显了长江存储在3D NAND领域的技术创新实力。

值得一提的是，在得到了三星的认可之后，SK海力士等尚未量产CBA架构产品的3D NAND厂商后续可能也将会寻求向长江存储获取“混合键合”专利许可授权。

编辑：芯智讯-浪客剑