国外对长江存储混合键合专利的详细解析

近日，法国学者Pauline Calka发表了对长江存储混合键合专利的解析长文。

混合键合是一种通过将铜互连直接连接到铜以及将绝缘材料直接连接到绝缘材料来连接两个半导体芯片的技术。与依赖焊球或凸块的传统芯片堆叠方法不同，混合键合可实现更薄的封装，同时提高电气和热性能。

在过去五年中，混合键合技术已成为先进半导体封装的关键推动因素。在全球半导体公司积极研发工作的推动下，自 2019 年以来，混合键合相关专利的数量增加了四倍多，同时竞争激烈的知识产权 （IP） 格局也发生了重大转变。台积电、Adeia 和长江存储是混合键合 IP 的领先者。

混合键合技术具有广泛的应用范围。在内存领域，预计将在具有 20 多个堆叠层的下一代高带宽存储器 （HBM）、3D DRAM 和具有 400 多个层的 NAND 闪存中实现。事实上，混合键合已经在 NAND 市场实现了商业化。中国芯片制造商长江存储一直在使用这项技术大规模生产 NAND 芯片，以“Xtacking”为名，大约四年来。该工艺涉及晶圆到晶圆 （W2W） 键合，其中 NAND 的核心组件（电池和外围电路）在不同的晶圆上分别制造，然后键合在一起。

YMTC 的专利组合尤其值得注意。对该公司 25 项关键专利的分析表明，该公司拥有与 3D 内存架构相关的先进技术，涉及NAND、DRAM 和 SRAM;逻辑和存储器芯片的混合键合;以及围绕键合层的外围电路集成。YMTC 的专利实现了逻辑、内存和控制器的异构堆叠，增强了半导体制造在人工智能 （AI） 和高性能计算 （HPC） 应用中的可行性。此外，该公司还拥有与制造工艺相关的广泛专利，包括实施混合键合所需的表面处理、阻挡层工程、精确对准方法、应力补偿和晶圆切割技术。

专利分析显示，全球与先进半导体封装相关的专利出版物激增。在关键技术中，混合键合在专利申请中显示出最显著的加速。

作为先驱，Adeia（前身为 Xperi）于 2015 年从 Ziptronix 收购了直接键合互连 （DBI®） 技术，并从那时起一直将其授权给包括索尼、长存、美光和铠侠在内的多家公司。尽管 Adeia 在历史上拥有强大的知识产权地位，但其他参与者一直在开发自己的专利组合，这些专利组合与使用混合键合技术进行混合键合工艺或芯片堆叠相关。台积电和英特尔从早期就投资于这种尖端键合技术的研发工作，开发了自己的IP组合和先进的小芯片封装创新，如台积电的3D堆叠系统集成芯片（SoIC）和英特尔的Foveros Direct。2016 年，DBI® 技术通过索尼在三星 Galaxy S7 中的 CMOS 图像传感器进入图像传感器市场后，美光、三星和长江存储等内存制造商也加入了 IP 竞赛。除了内存应用之外，混合键合对于实现最先进的封装功能也至关重要。因此，中国正在大力投资这项技术，长江存储和武汉芯增加了与混合键合相关的专利申请活动，而通富微电子、SJSemi 和 CXMT 在过去几年中也进入了混合键合 IP 领域。

图 1：混合键合技术的主要专利受让人及其进入专利领域（来源：混合键合专利态势报告，KnowMade，2024 年 9 月）

从定量的角度来看，台积电在混合键合专利领域处于领先地位，其大部分发明与混合键合半导体结构或器件有关，主要集中在 2.5D 和 3D IC 应用。 近年来，长江存储和 Adeia 显著扩展了其可执行专利组合。 Adeia 拥有数量最多的与键合工艺本身相关的关键专利，其 IP 组合包括旨在提高混合键合结构可靠性的广泛创新，例如热管理、机械应力降低、金属扩散控制和键合强度。 长江存储的混合键合专利因其对 3D 堆叠内存技术的关注而备受瞩目。虽然代工厂和设备制造商在 2020 年之前主导了 IP 竞赛，但 OSAT 和设备/材料供应商最近进入了混合键合专利领域，其产品组合迅速增长。ASE、SJSemi、通富、应用材料公司和 Resonac 等公司现在正在成为新的 IP 挑战者。

图 2：混合键合技术的主要专利受让人持有的已授权专利和未决专利申请数量（来源：混合键合专利态势报告，KnowMade，2024 年 9 月）

YMTC 的 Hybrid Bonding 相关专利是存储器制造商的主要因素

长江存储是 2018-2019 年率先将混合键合技术应用于 3D NAND 芯片的公司，并以“Xtacking”的名义推出。该公司最初 在其业务早期阶段通过许可协议从 Xperi（现为 Adeia）获得基础专利。从那时起，长江存储开发并扩展了自己的专利组合。

长江存储在混合键合专利方面的强势地位给韩国存储器巨头三星电子和 SK 海力士带来了压力。根据 ZDNet Korea 的一份报告，据报道，三星已准备从 YMTC 获得混合键合专利 ，以制造其下一代NAND 闪存芯片。 预计 SK 海力士也将寻求达成类似的协议。此举凸显了规避长江存储专利的难度，而长江存储的专利被认为是不可避免的。韩国公司决定获得许可而不是在法律上挑战专利，这表明韩国公司将技术进步置于知识产权争议之上。

长江存储的 IP 活动在该领域的速度超过了韩国的领先企业。2017 年至 2024 年 1 月期间，长江存储共披露了 119 项混合键合相关专利。相比之下，三星电子尽管早在 2015 年就开始发表文章，但截至 2023 年底仅披露了 83 项专利。 后来开始申请专利的 SK 海力士只披露了 11 项。

图 3：长存、三星和 SK 海力士与混合键合技术相关的专利出版物的时间演变（来源：混合键合专利态势报告，KnowMade，2024 年 9 月）

长江存储的混合键合技术战略专利组合

与混合键合相关的专利可分为三种主要类型的权利要求发明：

1.利用混合键合互连的半导体结构或器件，

2.混合键合制造工艺和界面工程，以及

3.用于混合接合的设备。

虽然大多数专利都集中在混合键合结构和器件上，但混合键合工艺本身最近吸引了主要行业参与者的大量知识产权兴趣。前三大知识产权公司 Adeia、TSMC 和 YMTC 是该领域领先的专利受让人。他们的创新主要旨在提高工艺可靠性，包括应力管理、粘合强度和粘合结构对齐。这一重点反映了正在进行的研发努力，以进一步推进混合键合技术。

在 1,600 个与混合键合相关的专利家族中，Knowmade 已经确定了 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 TSMC、Adeia、Intel、YMTC 和 Samsung 在键合工艺和键合半导体结构或器件方面拥有与混合键合相关的关键专利。

长江存储已确定 25 个关键专利。这些创新旨在通过混合键合实现的三维 （3D） 堆叠来突破内存密度、性能和集成的极限。该公司的关键专利通过引入垂直集成的器件结构，系统地解决了平面架构的瓶颈，例如扩展、成本和集成限制。长江存储混合键合相关关键专利反映了先进 3D 内存架构（NAND、DRAM、SRAM）、创新的混合键合技术、逻辑和内存的异构集成以及制造工艺优化的融合。

长江存储的混合键合关键专利

长江存储的大部分关键专利提出了新的 3D 存储器件设计，涉及垂直堆叠的 NAND、DRAM 和SRAM 阵列（例如，专利申请 WO2020/211332 和 WO2020/232573）、通过混合键合集成的分离逻辑和存储芯片（WO2020/220593、WO2021/163944），以及分布在多个键合层上的外围电路（WO2023/272555、WO2023/272614、WO2023/272627）。这些架构通过减少基板面积、实现多功能堆叠（逻辑 + 内存 + 控制）以及促进 AI 和 HPC 应用的异构集成来克服 2D 缩放限制。

图 4：长江网络的主要专利示例 （A） WO2020/211322 和 （B） WO2021/163823

混合键合技术基础（晶粒到晶粒或晶圆到晶圆）允许面对面、面对面和背对背互连，与功能和虚拟通孔（WO2020/154939、WO2020/154954）精确对准触点，并通过新型键合层和阻挡材料（WO2021/163823、WO2021/138792）增强可靠性和电气性能。

几项关键发明描述了具有垂直栅极晶体管的垂直存储单元以最大限度地提高密度（WO2023/028829、WO2023/028869）、用于结构和布线效率的镜像对称布局（WO2023/028869），以及用于背面焊盘的新型互连架构 （WO2022/047649）。

长江存储还拥有与制造工艺相关的关键专利，可实现离子注入埋地终止层以实现精确的衬底减薄（WO2022/204959）、自对准扩散势垒以避免键合过程中的金属扩散问题 （WO2021/163823），以及电容器阵列晶圆和外围晶体管晶圆（包括 DRAM 的阵列晶体管）的模块化分离，以解耦工艺步骤并改进制造收率 （WO2021/163944）。

长江存储的混合键合制造方法相关专利

长江存储拥有20多项与涉及混合键合技术的制造方法相关的专利家族，其中大多数仅在中国申请。

几项专利提出了新颖的表面处理（例如等离子体活化 WO2020/140212）、异种材料的键合（例如金属介电键合 WO2021/138792）和阻挡层工程（例如石墨烯阻挡层 CN109148417、CN107993928）以提高键合强度、可靠性和界面质量。其他发明通过应力平衡 （CN107731668）和连续压力退火 （CN107993927） 解决了键合过程中应力引起的缺陷，旨在提高对准精度并降低位错风险。提出了对混合键合至关重要的精确晶圆切割方法（例如，基于等离子体的方法CN114226984、无渣切割CN113953689和先进的挖沟 WO2023/197665），解决了平整度、炉渣和结构损伤问题。

图 5：YMTC 的混合键合制造方法相关专利示例（CN109148417）

混合键合使长江存储能够通过创建密集的垂直互连（WO2020/154939、WO2020/103025）来克服平面扩展瓶颈。专利提出了为未来存储器和逻辑器件量身定制的高密度、低占用空间的设计。

绑定界面是一个反复出现的技术战场。通过石墨烯加帽 （CN107993928） 和平面石墨烯阻挡层（CN109148417） 来减轻铜扩散和电迁移。界面处的合金氧化物提供自对准扩散块（WO2021/163823）。 金属介电键合克服了传统的键合缺陷 （WO2021/138792）。

在粘接过程中保持精确对准至关重要，长江存储的一些专利侧重于精确对准反馈，以最大限度地减少错位缺陷。CN108511419 引入了测试电容器来实时监控错位，CN110783234 提出了基于激光的测量以动态调整晶圆位置。

多项专利旨在降低工艺复杂性和光掩模数量。单侧垂直互连接入 （VIA） 结构 （CN111162041）消除了对双面 VIA 蚀刻的需求，而两用键合/互连层 （CN107731667） 简化了金属的使用。

一些专利与应力补偿和弯曲校正有关，例如临时光刻胶加背面拉伸膜来控制键合过程中的晶圆弯曲（CN107731668），或退火过程中的连续压力以加强键合 （CN107993927）。

最终，CN114226984（等离子体增强多级切割）、CN113953689（切割前预先去除金属焊盘以减少熔渣）和 WO2023/197665（混合键合晶圆的精密切割以获得亚微米特征）代表了专注于改进切割方法以保持表面平整度并最大限度地减少损伤的努力。

混合键合作为高密度 3D 集成的推动因素，是核心，同时解决了性能和可制造性问题。将 logic、memory 和 peripheral 电路分解为单独的芯片，最大限度地提高了工艺灵活性和良率。长江存储的专利组合反映了一个有凝聚力的、以创新为主导的战略，专注于通过混合键合实现的先进 3D 架构来解锁下一代内存和逻辑集成。该公司不仅解决了近期的扩展问题，还为未来适用于 AI 和 HPC 的高性能内存系统奠定了基础。可编程逻辑和高速存储器的垂直集成针对高吞吐量应用。埋地停止层和填充方案等创新表明了对实际生产约束的关注。架构旨在适应更高的堆栈高度、更精细的功能和下一代内存技术。每项专利都有助于构建一个模块化、可扩展和可制造的平台，该平台利用垂直堆叠在密度、效率和系统级集成方面实现突破。