Manufacturing Technology

长江存储有望技术赶超?

7月26日，美光宣布量产232层闪存，成为全球首个突破200层闪存的厂家。

8月3日，长江存储正式发布其新一代3D闪存，堆叠层数同样达到232层，或于2022年底量产。

据统计，除美光和长江存储外，其它多家国际大厂200层以上的产品，或已于近期发布，或就差临门一脚。包括此前SK海力士已向客户发送238层TLC 4D NAND闪存样品，并计划于2023上半年量产；西部数据之前也预告过，其下一代BiCS 7的堆叠层数将达212层；三星的相关消息显示，其或将在2022年底或2023年上半年开始量产224层3D NAND。

堆叠层数意味着什么？在2D NAND闪存时代，随着制程的不断缩小以及工艺的不断改进，晶体管尺寸也不断向下微缩，NAND闪存的存储密度持续提高。但当密度提高到一定程度，闪存电荷数量受限，读写容量也难以提升，再加上耦合效应和干扰等问题，NAND闪存逐渐从二维平面展开至三维堆叠结构，同时堆叠层数的多少也与性能呈正相关，因此堆叠层数成为了闪存先进程度的新标准。

因此，从时间节点及对应的技术来看，长江存储已然赶上了一众头部的国际大厂。

此前，市场虽已有些许声音，但没想到“实锤”来得如此之快。要知道，7月份的时候还有媒体报道，192层才是长江存储2022全年的主旋律，232层可能到2023、2024年才会面世。即使如此，也意味着与国际先进厂商的差距缩短到1年左右。那这次跃过192层的长江存储，在堆叠层数上已经达到国际领先水平，用6年时间完成了曾经近十年的技术差距，难能可贵。

主力选手——Xtacking

长江存储的迅速崛起，凭借的是怎样的技术？众所周知，长江存储在2018年首次公布Xtacking架构。在本次发布新产品的同时，长江存储的Xtacking技术也已经更新到3.0版本。这使得基于Xtacking架构的新产品拥有更高的存储密度，同时以更快的I/O速度，实现高达2400MT/s的I/O传输速率。

在晶栈Xtacking 架构推出前，市场上的3D NAND主要分为传统并列式架构和CuA（CMOS under Array）架构。长江存储经过长达9年在3D IC领域的技术积累和4年的研发验证后，终于将晶圆键合这一关键技术在3D NAND闪存上得以实现。

从长江存储的介绍来看，这意味着在指甲盖大小的面积上实现数十亿根金属通道的连接，合二为一成为一个整体，拥有与同一片晶圆上加工无异的优质可靠性表现，这项技术为未来3D NAND带来更多的技术优势和无限的发展可能。随着层数的不断增高，基于晶栈Xtacking研发制造的3D NAND闪存将更具成本和创新优势。”

8月份232层NAND堆栈的发布，引来无数喝彩的同时，或许还有磨刀霍霍的制裁。

源于CIS新架构的披荆斩棘

我们看到的是结果，是一群工程师在专利墙缝隙上撕开了口子，找到发力点，带着成果从荆棘中走了出来。那这样一条技术路径究竟是怎样走出来的？这还得从长江存储的前身，武汉新芯谈起。

武汉新芯成立于2006年，作为国家认定的首批集成电路企业，一直都在湖北省和武汉市重点扶持的列表上。

据悉，最初NAND的研发由武汉新芯、中科院和赛普拉斯三家一起合作进行。Xtacking技术本身，其实是把以前CMOS图像传感器（CIS）代工的经验运用到3D NAND上。武汉新芯在中芯国际撤出以后，到紫光集团接手之前，靠的就是代工Flash和CIS产品度日。

虽说3D IC技术在半导体行业热度不减，但在CIS领域，3D IC技术其实早已十分普及。对于CIS来说，把逻辑和像素分开是件很平常的事，而3D NAND正是把存储和逻辑分开在两片晶圆上完成的，最后再键合到一起。

2012年，武汉新芯开始与CIS头部企业豪威（后被韦尔股份收购）合作，切入CIS领域，至今累积了超过 84 万片晶圆出货量。经过多年积累以后，一定程度上熟练掌握了3D IC的相关技术。这便是后续Xtacking能够走出来的早期技术基础。 

在Xtacking技术落地之后，我们看到了这项技术的很多优点，看到了长江存储凭借这项技术加速赶上国际巨头，降低成本。但在项目伊始，谁也看不到这场赛跑结果的时候，没有人能断定这条路一定走得通。

晶圆键合技术是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，最早在上世纪80年代由东芝和IBM提出。

之所以晶圆键合会率先在CIS领域得到广泛应用，主要是因为背照式特殊的结构、更佳的光学效果和良率。从早期两片晶圆粘合而不连通，到后来两片晶圆既可以粘合，其中的电路也完成互连。

对于Xtacking技术来说，就是将带有CMOS外围电路的晶圆，与带有NAND存储阵列的晶圆通过金属互联通道VIAs进行两片晶圆的键合，合并为完整的整体。

知易行难，在实操过程中，必须得跨过几座绕不开的大山，尤其是对于键合的芯片制造而言。有专业人士表示，如果技术掌握不好的话，会产生很多问题，如bubble，shift，mis-align等等，导致报废率高，最终良率就比较低。

更何况，正常来说，键合的成本并不低，对于CIS晶圆厂来说，其出厂价格是一般工艺晶圆的两倍，价格也是根据mask的层数来计算的，还得加上白板晶圆的成本。

为什么长江存储还是选择了这条路径？

一方面是国际大厂形成的专利壁垒，占据了多条关键技术路径，如果还要从一片晶圆上突破，着实难上加难。另一方面，则是因为之前武汉新芯积累了多年的Flash 及 CIS 产品的代工经验，使得公司有能力将这两方面的经验结合起来，最终在晶圆键合方向上找到突破口。

所以说，任何一家企业的问题还是要在发展过程中得到解决。项目最初制定的方向和预期的结果在执行过程中往往会发生偏差，考验的除了团队的技术功底、执行能力以外，还有遇到问题时的灵活性和随机应变的能力，需要用更大的智慧去做战略和战术的调整。

目前除了NAND外，长江存储还将Xtacking的技术在DRAM方向上进行测试和应用，并形成了相应的专利。或许在不久的将来，我们可以看到长江存储在DRAM方向上的新品。