十年磨一劍：三星引入長江存儲專利技術(shù)

近日，三星與長江存儲（YMTC）簽署了3D NAND混合鍵合（Hybrid Bonding）相關(guān)專利許可協(xié)議。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。

三星從第10代V-NAND（V10）將開始采用NAND陣列和外圍CMOS邏輯電路分別在兩塊獨立的硅片上制造，因此需要長江存儲的專利技術(shù)W2W（Wafer-to-Wafer）混合鍵合技術(shù)實現(xiàn) —— 通過直接將兩片晶圓貼合，省去了傳統(tǒng)的凸點連接，形成間距為10μm及以下的互連。從而使得電路路徑變得更短，顯著提高了傳輸速率，并降低了功耗；另外還減少芯片內(nèi)部的機械應力，提高產(chǎn)品的整體可靠性。

三星計劃在2025年下半年開始量產(chǎn)下一代V10 NAND，預計該產(chǎn)品的堆疊層數(shù)將達到420至430層。在此之前，三星在NAND閃存采用的是COP（Cell on Peripheral）技術(shù)，即將外圍電路置于單獨的晶圓上，在其上方堆疊存儲單元。但是隨著NAND堆疊層數(shù)的增加，尤其是超過400層時，底層外圍電路的壓力會顯著提升，這可能影響芯片的可靠性。

目前掌握3D NAND混合鍵合關(guān)鍵專利的公司美國的Xperi、中國的長江存儲和中國臺灣的臺積電，這意味著三星幾乎無法繞過其他廠商的專利布局。在判斷規(guī)避長江存儲專利幾乎不可能的情況下，為了克服這一挑戰(zhàn)，三星選擇了和長江存儲達成專利許可協(xié)議，加速其技術(shù)研發(fā)進程，來化解未來可能出現(xiàn)的風險。此外，在V11、V12等后續(xù)NAND產(chǎn)品的開發(fā)過程中，三星仍可能會依賴長江存儲的專利技術(shù)。

除了三星，SK海力士也正在開發(fā)適用于400層以上NAND產(chǎn)品的混合鍵合技術(shù)，未來他們也可能需要與長江存儲簽訂專利授權(quán)協(xié)議。

長江存儲建立技術(shù)優(yōu)勢

長江存儲四年前就已經(jīng)將混合鍵合技術(shù)應用于3D NAND制造，并將其命名為「晶棧（Xtacking）」。初期，長江存儲通過與Xperi簽署許可協(xié)議獲得了混合鍵合技術(shù)的原始專利，隨后在該領(lǐng)域構(gòu)建了全面的自主專利體系，目前在混合鍵合技術(shù)方面處于全球領(lǐng)先地位。

早在2016年，長江存儲一期項目開工建設(shè)時就開始全自研開發(fā)的一種3D NAND閃存芯片架構(gòu)；2017年10月，長江存儲通過自主研發(fā)和國際合作相結(jié)合的方式，成功設(shè)計制造了中國首款3D NAND閃存。

2019年9月，搭載長江存儲自主創(chuàng)新Xtacking? 架構(gòu)的第二代TLC 3D NAND閃存正式量產(chǎn)。該技術(shù)可在一片晶圓上獨立加工負責數(shù)據(jù)I/O及記憶單元操作的外圍電路，這樣的加工方式有利于選擇合適的先進邏輯工藝，以讓NAND獲取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。

目前，長江存儲自研的Xtacking技術(shù)已經(jīng)進展到了4.x版本，并且開始供應其第五代3D TLC NAND閃存產(chǎn)品（有294層結(jié)構(gòu)，其中包含232個有源層），是目前已經(jīng)商用的3D NAND產(chǎn)品當中堆疊層數(shù)最高、存儲密度最高的。而作為從東芝半導體獨立出來的鎧俠，是繼長江存儲之后首批采用混合鍵合技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)3D NAND產(chǎn)品的主要制造商，但其基于新架構(gòu)的第八代技術(shù)（BiCS8）的218層3D NAND直到2024年下半年才量產(chǎn)。

最早將混合鍵合應用于3D NAND的長江存儲在相關(guān)技術(shù)上擁有強大的專利積累，截至目前，長江存儲專利總申請數(shù)量超過1萬件。值得一提的是，長江存儲以8件專利起訴美光之后，又在2024年7月追加了11件專利的起訴，兩案并案處理。這也從側(cè)面凸顯了長江存儲近年來在3D NAND領(lǐng)域豐富的技術(shù)專利積累。

對于長江存儲來說，此次向三星這樣的頭部存儲技術(shù)大廠提供專利許可，屬于是中國存儲產(chǎn)業(yè)歷史上的首次。長江存儲實現(xiàn)了對三星的技術(shù)專利許可，這對于一直在堅持自主研發(fā)的中國科技企業(yè)而言，無疑是又一次重大鼓舞。而對于三星來說，專利許可協(xié)議解決了下一代NAND開發(fā)中的“核心難題”，在面對SK海力士的強勢挑戰(zhàn)背景下，這一突破顯得尤為重要；但也面臨市場主導權(quán)喪失的風險，以及由于專利使用可能導致的技術(shù)依賴等憂慮。

長江存儲最早找對方向

雖然長江存儲近年來發(fā)展受到了外部的各種限制，但是已經(jīng)成功地將存儲密度提升至與行業(yè)領(lǐng)先水平相當?shù)母叨?，實現(xiàn)了目前商業(yè)產(chǎn)品中最高的垂直柵密度，使得長江存儲成為了全球NAND閃存市場的有力競爭者。這其中的關(guān)鍵在于，長江存儲率先轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)，并實現(xiàn)了混合鍵合的技術(shù)良率穩(wěn)定。

NAND閃存制造一開始是只使用一塊晶圓，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閃存廠商在最初的3D NAND工藝中實施CAN方法，在后續(xù)工藝中遷移到CUA架構(gòu)。除了，美光和Solidigm在32層3D NAND路線圖之初就實施了CUA架構(gòu)。

在傳統(tǒng)3D NAND架構(gòu)中，外圍電路約占芯片面積的20~30%。而隨著3D NAND技術(shù)堆疊到128層甚至更高，外圍電路所占據(jù)的芯片面積或?qū)⑦_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(shù)，推動了高堆疊層數(shù)的3D NAND制造開始轉(zhuǎn)向了CBA（CMOS鍵合陣列）架構(gòu)。而NAND晶圓和CMOS電路晶圓可以在不同的生產(chǎn)線上制造，使用各自優(yōu)化的工藝節(jié)點分別生產(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。

對于三星、SK海力士等傳統(tǒng)3D NAND大廠來說，已經(jīng)在傳統(tǒng)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。如果從傳統(tǒng)的單片晶圓生產(chǎn)，轉(zhuǎn)換到CBA架構(gòu)兩片晶圓生產(chǎn)，無疑需要增加對新的潔凈室空間和設(shè)備的額外投資；同時，還將面臨混合鍵合技術(shù)所帶來的良率挑戰(zhàn)，這也使得他們轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)的意愿并不積極。

而目前，對于3D NAND廠商來說，要想發(fā)展400層以上的NAND堆疊，混合鍵合是一項不得不面對的核心技術(shù)。雖然SK海力士和美光分別在2020年和2022年向Xperi拿到了混合鍵合技術(shù)的授權(quán)，但因為轉(zhuǎn)向CBA架構(gòu)遲緩，使得三星、SK海力士等大廠面對已經(jīng)在CBA架構(gòu)3D NAND和配套的混合鍵合技術(shù)上持續(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。除此之外，由于存在許多變化，與長期采用混合鍵合的長江存儲相比，制造成本必然會高得多。

存儲芯片行業(yè)已經(jīng)是成熟市場，三星、SK海力士、美光等巨頭占據(jù)了大部分市場份額。與他們相比，長江存儲是后起之秀，2016年成立于武漢，至今不到10年。對于中國科技創(chuàng)新而言，長江存儲十年磨一劍的技術(shù)突破無疑令人振奮。最重要的是，在核心技術(shù)逐步追上甚至領(lǐng)先行業(yè)巨頭之后，如何提升產(chǎn)能也成為長江存儲的關(guān)鍵問題，這對能否改寫行業(yè)格局也至關(guān)重要。