武汉nand 武汉新芯3D IC技术平台，实现晶圆堆叠无限可能

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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武汉新芯3D IC技术平台，实现晶圆堆叠无限可能

根据调研机构 Yole 统计，3D IC(三维集成)整体市场规模（涵盖3D SoC、2.5D Interposer/Foveros、HBM、CIS等）在 2020 年约 30 亿美元出头，预计 2023 年将成长至 60 亿美元，其中，年复合成长率最高的是 3D SoC，其次是高带宽存储 HBM。

虽然 3D IC 技术已经是当今半导体产业炙手可热的议题，引发英特尔、台积电、三星等重兵投入，但在图像传感器 CIS 领域，3D IC 技术早已十分普及。

武汉新芯从 2012 年投身 3D IC 技术研发 CIS 产品，至今累积了超过 84 万片晶圆出货量。

武汉新芯 3D IC 技术的缘起

成立于 2006 年的武汉新芯，是华中地区第一个 12 寸半导体项目。

2012 年武汉新芯开始与 CIS 大厂豪威 OmniVision（已被韦尔半导体收购）合作，切入 CIS 技术与产品线。这奠定了今日武汉新芯晶圆堆叠技术的基础，公司更将 3D IC 技术作为晶圆代工业务发展的主要平台之一。经过多年技术积累，武汉新芯已成为全球少数可提供 3D IC 代工的半导体企业之一。

2019 年 9 月，武汉新芯的母公司长江存储正式量产 64 层 3D NAND 存储芯片，其采用的 Xtacking 技术便是源于武汉新芯的 3D IC 技术，成为武汉新芯 3D IC 技术在除 CIS 之外的又一应用实例。

把两片晶圆堆叠一起，已经是现在很前瞻的技术，但武汉新芯并不满足于此。

武汉新芯晶圆代工部门业务兼行销总监沈亮表示，公司正在开发多片晶圆堆叠技术，后续计划是实现 die to wafer 堆叠技术。

3D IC 技术已经广泛应用于 CIS 产品

为什么 CIS 是目前 3D IC 技术应用最广的领域？

随着消费类产品的持续升级，大家都在同时追求更高的性能和更小的元器件尺寸。为了缩小芯片面积，遵循摩尔定律来进行晶体管微缩是通常的做法，但 CIS 芯片却无法这样做。原因在于感光芯片对进光量有一定要求，尺寸过小会影响进光量，所以需要平衡尺寸和进光量之间的关系。

所以，采用 3D IC 技术将感光芯片和逻辑电路上下堆叠起来，减小了芯片整体面积，同时保证了一定的感光面积，兼顾了性能和尺寸需求。

3D IC 应用的创新范例

以长江存储 64 层 3D NAND 闪存举例。它作为全球首款基于 Xtacking 架构设计并实现量产的闪存产品，拥有同代产品中最高的存储密度。

Xtacking 可实现在两片独立的晶圆上分别加工外围电路和存储单元，这样有利于选择更先进的制造工艺。

当两片晶圆各自完工后，创新的 Xtacking 技术只需一个处理步骤就可通过数十亿根垂直互联通道（VIA）将两片晶圆键合。相比传统 3D NAND 闪存架构，Xtacking 可带来更快的 I/O 传输速度、更高的存储密度和更短的产品上市周期。

3D IC 技术最理想境界：存算一体

现在人工智能是大家都非常关注的应用，解决方案有 CPU、GPU、ASIC 等，但是随着算力需求的增加，这些方案都面临“存储墙”的问题，即 CPU 和内存之间的数据传输带宽成为了瓶颈，影响了整体处理能力的提升。

最理想的解决方案，其实是在 3D 技术架构下，打造真正的存算一体，突破“存储墙”的限制。

武汉新芯已经在 2D 技术下，以 NOR Flash 架构做卷积运算，做出可工作的 AI 加速器。但是，受限于 2D 技术的周边电路结构，NOR Flash 的逻辑部分无法完成数据的快速处理。

如果采用 3D IC 技术，可以直接将一颗处理器和一颗 NOR Flash 芯片堆叠在一起，在NOR Flash中实现卷积运算和存储，在处理器和 NOR Flash 之间则可以实现数据快速传输，这样在一颗芯片中就能实现人工智能的数据运算和处理，同时，还可以用 NOR Flash 的一部分作为处理器的 embedded flash。

随着逻辑工艺进入 7nm 和 5nm，最终目的不是节省成本，而是提升性能和缩减尺寸，但有太多无法通过工艺缩小的电路，例如模拟、I/O、嵌入式闪存等，却又占据很大的逻辑晶圆面积，成本高昂。

如果逻辑电路放到一片先进工艺的晶圆上，模拟等电路移到另一片成熟工艺的晶圆上，再通过 3D IC 技术实现全带宽互联，则可以有效提高处理性能同时降低成本。

AMD 于 2019 年初发布的新一代 CPU 便印证了这样的概念，CPU 核心用 7nm，但是 I/O 芯片是 12nm/14nm，虽然还没用到晶圆级堆叠，已然证明不同工艺的组合确实可以实现成本可控，同时不损失性能。

3D IC 技术的发展路径

3D IC 技术可以协助实现创新，但也有几个痛点是无法回避的。

首先，两片堆叠的晶圆 die size 必须要做到尽量相同，才能实现晶圆级互联时， die之间的对准。

第二个是良率控制的问题。如果两片晶圆的良率没有控制好，堆叠后的良率会比较低。

这也是为什么目前 3D IC 技术多用在 CIS 和存储上，因为 CIS 良率容易控制，而 NAND Flash 可以透过修正方式提升良率。

所以，对于 3D IC 项目，我们推荐的合作模式是：在项目早期，武汉新芯就希望和芯片设计公司、EDA 软件厂商、终端客户来一起合作，定义产品架构、进行测试方法的开发和验证、完成容错算法，确保产品开发和系统开发同步，提高产品的良率。

看好 3D IC 技术的前景和高技术壁垒，武汉新芯擘画了三个阶段的 3D IC 技术目标：

第一阶段：2020 年 Hybrid Bonding 技术，实现两片晶圆堆叠的非存储类产品量产。

第二阶段：2021 年 M-stacking 技术量产，实现三层及以上的多片晶圆堆叠。

第三阶段：2022 年 Hi-stacking 技术量产，实现晶圆和 die 堆叠整合。

沈亮指出，第一阶段的 Hybrid Bonding, 越来越多地被客户青睐，用于“存算一体”类人工智能产品。同时在新兴的 d-TOF 上亦将发挥重要作用，由于器件利用直接飞行时间测距，计算量要求比传统 CIS 高，必须采用 Hybrid Bonding 连接方能达到更好的性能和用户体验。

第二阶段的多片晶圆堆叠 M-stacking 技术，是把 DRAM 晶圆也堆叠上去，可作为数据缓冲，实现对存储体的高速数据存取。现阶段采用后段封装工艺制造的 HBM，因其凸点工艺的局限，存在散热性能差、连接数少等先天弊端，影响存储容量和带宽提升空间。针对此问题，利用多片晶圆堆叠技术工艺精度高、连接热阻低和生产效率高的优势可大幅度提升性能。

第三阶段的 Hi-stacking 技术可提供晶圆和 die 堆叠在一起的多层解决方案，不再受上下 die 尺寸要求一致的限制，从而使堆叠方案更灵活，提升堆叠后产品的良率，降低产品成本。

目前武汉新芯已经和多家客户开始以上项目的合作研发。

闪存的新一轮争霸赛

2021年，在居家办公、线上教学的普及之下，NAND整体需求大增，价格也是持续攀升。而到了2022年，与大家所预想中的降价局面相反，工厂原料污染、地震、设备供应限制等一系列意外反而让NAND闪存迎来了新一轮的上涨。2022年，闪存新的开局似乎并不平坦，但显然并不妨碍其成为“资本宠儿”。

近日，IC Insights 预测，今年 NAND 闪存资本支出将增长 8% 至 299 亿美元，创历史新高，占 2022 年整个IC 行业资本支出（预测 1904 亿美元）的16%，仅落后于晶圆代工部门41%的占比。

图片来源：IC Insights

晶圆代工产业向来是业内公认的资本大头，闪存资本支出不敌代工可以说是毫不意外。从上图来看，自2017年产业由2D向3D NAND过渡后，每年闪存资本支出都超200亿美元，而今年更是向300亿美元冲刺。不断攀升的资本支出背后，说到底，其实是大厂们对产能和层数的追求。

建厂、收购，巨头产能布局如何？

当前全球NAND闪存市场呈现“多头竞争”态势，从2021年第四季NAND Flash厂商市占率来看，三星电子以33.1%位列第一，日本铠侠占据全球市场第二位（19.2%），其后依次是西部数据（14.2%）、SK海力士（14.1%）、美光（10.2%）。

图片来源：TrendForce集邦咨询

市占率竞争背后，是厂商间的产能之战。当前多变的格局让闪存出货量受到了多重因素的影响，前有铠侠与西部数据合资工厂因原材料污染问题导出货受损，后有俄乌冲突冲击全球半导体产业，夹击之下的产能分布又呈现出怎样的格局？

·三星电子

三星电子作为全球最大的NAND 闪存和DRAM供应商，自2002年夺得市场冠军后，已连续20年位居全球榜首。公开消息显示，三星在韩国平泽、中国西安都有NAND工厂。

三星在平泽拥有较大的半导体厂区，有韩媒报道，三星电子计划2030 年前在平泽厂区兴建6 个半导体工厂。

其中平泽P1厂，于2017年开始在一楼进行64层NAND的生产，2018年，二楼增设了DRAM产线。一楼和二楼每月wafer产能分别为10万片和20万片，月总产能约30万片。

平泽P2厂于2018年确认兴建，2019年竣工并且配备完毕，自2021 年开始营运，主要用于扩大DRAM、NAND Flash存储器的产能，总投资额约30万亿韩元，产能规模与一期相当。2020年5月，三星投资8兆韩元扩增内存NAND Flash 生产线，计划2021下半年开始量产先进的V-NAND芯片。

平泽P3厂则于2020年开始动工，占地规模比建成的P2要大，预计可能是DRAM、NAND Flash、系统半导体等混合工厂。据韩媒最新报道，P3工厂已经进入到基础设施投放的环节，正在准备一条176层3D NAND生产线，初期月产能约10K，DRAM和晶圆代工随后同时开建。目前消息显示，P3厂计划2023 年下半年竣工，将成为全球最大的半导体工厂，不过业界目前盛传P3 厂将提前至2022 年投产。业界人士透露，P3 厂提前完工后，三星也将在今年提前建设平泽四厂(P4)。

除了韩国平泽外，三星还计划在中国西安打造全球最大的闪存基地。

韩国《STRAIGHTNEWS》最新新闻指出，三星电子近期完成了在西安建设的半导体二期扩建工程，并正式投入生产。三星电子西安二期项目的投产，达到13万片/月的产能，再加上原来每月12万片的产量，产能将达到25万片/月。通过此次扩建，三星电子的NAND闪存生产能力将占世界市场的10%以上。

西安三星半导体一期项目于2012年9月开工建设，2014年5月建成投产，其中闪存芯片项目投资100亿美元。二期项目于2017年投资70 亿美元建设，于2019年追加投资 80 亿美元进一步扩大规模。

·铠侠

铠侠是全球第二大NAND 型快闪记忆体厂，今年年初发生材料污染的晶圆厂就是铠侠与西部数据位于日本三重县四日市和岩手县北上市的工厂。

日本四日市是铠侠重要的生产基地，1992年成立的四日市工厂，1992年4月第一座制造大楼落成，目前用于生产3D NAND的厂房，包括Fab2、Fab3、Fab4、Fab5、Fab6。

2020年年底，为加速追赶三星，铠侠曾在两个月内两次宣布扩建3D NAND闪存晶圆厂。2020年10月，铠侠宣布为了加强3D NAND Flash产品BiCS FLASH的产能，决定于2021年春季，在日本三重县的四日市工厂兴建新厂房Fab7。同年12月，铠侠再次宣布将在日本岩手县现有的K1工厂旁预留出13.6万平方米面积作为K2厂区的建设空间，据悉，K2厂房规模将达K1的2倍，将成为铠侠旗下最大规模的厂房。如果计划顺利进行，这两座新的晶圆厂都将在2023至2024年左右全面落成。

时隔一年多，铠侠再次宣布扩产。今年3月23日，铠侠宣布，将开始对位于日本岩手县北上市的工厂进行扩建，兴建新的Fab 2工厂，以提高3D NAND闪存的产量。铠侠表示，此次扩建计划2022年4月开始动工，预计2023年竣工，未来会专注于BiCS Flash的生产。

·SK海力士

从产能方面来看，SK海力士的NAND闪存产能主要在韩国，目前主要生产基地有清州M11、M12、M15以及利川M14。据韩媒Ddaily报道，SK海力士将从今年Q3开始在现有M15厂区内通过扩充生产设备的方式全力运营M15。据悉，从去年年底开始，M15就开始投入无尘室建设，预计2022年10月完工后，便会开始移入相关设备，NAND产能有望得到进一步的提升。

除了上述NAND生产基地外，SK海力士通过收购英国存储业务，在中国大连也有了NAND的布局。

2020年10月，英特尔宣布把存储业务以90亿美元的价格出售给SK海力士，包括英特尔的NAND（非易失性存储）固态硬盘业务、NAND组件和晶圆业务，以及位于中国大连的NAND闪存生产基地。2021年12月30日，SK海力士完成了收购Intel NAND闪存及SSD业务案的第一阶段。

具体来看，收购款90亿美元中，SK海力士第一阶段交割70亿美元并接手基于英特尔闪存的数据存储装置SSD（Solid-State Drive）业务及其位于中国大连的晶圆厂“Fab 68”。2025年3月支付剩余20亿美元后接管晶圆研发（R&D）和大连工厂资产，最终完成收购。

在2020年财报会议上，SK海力士首席执行官李锡熙表示，收购英特尔的闪存业务后将使公司的相关收入在五年内达到收购前的三倍。从最新的消息来看，SK海力士日前曾表示，公司完成收购英特尔NAND事业的第一阶段后，预计NAND的出货量增加到一倍。

CFM闪存市场数据显示，SK海力士收购英特尔大连NAND工厂之后，其NAND市占率有望超过20%。

·美光

美光虽然在美国弗吉尼亚州马纳萨斯有一家小型DRAM 和 NAND 工厂，但其主要NAND工厂在新加坡制造，DRAM 工厂则是在台湾和日本。

美光在新加坡不仅成立了非易失性存储器的NAND卓越中心，还设立了公司最大规模的制造基地，其中包括三个200毫米和300毫米的存储器晶圆厂，以及一个测试和组装厂。2016年美光在新加坡成立NAND卓越中心，包括新加坡Fab 10晶圆厂区，负责生产最新一代3D NAND闪存。2018年，美光宣布继目前在新加坡拥有Fab 10N、Fab 10X两座NAND Flash快闪存储器工厂之后，将在当地兴建第3座NAND Flash快闪存储器工厂。2019年，第3座工厂建设完成。

层数“厮杀”或迈入200层

在PC、智能手机的推动下，人们对于闪存的存储要求越来越高，然而随着工艺的提升，在平面上提升容量显然已无法满足要求，厂商们便开始转向在垂直方向上提升容量，3D NAND就此诞生，相比2D NAND，3D NAND通过将原本平铺的储存单元堆叠起来，形成多层结构，来提供容量，使原本只有1层的储存单元，堆叠成64层甚至更多。

换句话说，对于3D NAND，层数越高，可具有的容量就越大，因此，增加层数以及提高产量是衡量技术实力的标准。毫无疑问，闪存层数数量也自然而然得成为了各大厂商技术比拼的最直接的评判标准之一。

2014-2023年的世界领先存储公司的闪存路线图

图片来源：TechInsights

·三星

三星称3D NAND技术为V-NAND，从上述路线图可以看出，三星电子最早在3D NAND开拓疆土，2013年8月初就宣布量产世界首款3D NAND，并于2015年推出32层的V-NAND，之后，又陆续推出48层、64层、92层、128层的V-NAND。

可以说，在3D闪存方面，三星之前一直处于领先状态。但近几年，在128层、176层NAND上，三星却被接连被SK海力士、美光赶超，原计划2021年末开始量产的176层NAND也推迟到2022年第一季度。不过对于三星来说，在下一代闪存上面追赶上来，重新获取领先优势还是很有希望的。

据businesskorea日前报道，三星电子将在2022年底推出200层以上的第8代NAND闪存。与上一代176层NAND产品相比，224层NAND闪存可以将生产效率和数据传输速度将提高30%。

·铠侠

铠侠除了全球第二大存储厂外，也是NAND的发明者。1987年铠侠的前身东芝存储推出了全球首个NAND闪存芯片。不过相比三星、SK海力士，铠侠开始生产3D NAND的时间较晚，2016年才开始生产。

截至目前，其BiCS Flash层数已经从48层到64层、96层、112层到了现在的162层。值得注意的是，铠侠在不断增加层数的同时也在不断提升平面密度。在162层第六代BiCS (BiCS6)中，铠侠采用CUA结构，即CMOS电路配置在存储阵列下方，该设计最早出现于美光64层堆叠3D闪存当中，可以缩小芯片面积，从而在每片晶圆中产出更多的芯片。据了解，未来，铠侠会引入CBA结构，在垂直和水平上缩小Die尺寸。

·SK海力士

SK 海力士在3D NAND上稍晚于三星，于2014年推出3D NAND产品，并在2015年推出了36层的3D NAND，后续按照48层、72层/76层、96层、128层、176层的顺序发展。其中，128层属于全球首发。

在2019年的美国闪存峰会上，SK海力士曾公布3D NAND技术路线图，从该技术路线图来看，当前SK海力士闪存产品的推出都按照计划进行中，已达到V7等级。此外，此路线图还展示，在2025年SK海力士 3D NAND将达到500层的堆叠高度，2030年将达到800多层。

图片来源：闪存市场

在2021年的 IEEE 国际可靠性物理研讨会上，SK 海力士首席执行官李锡熙曾表示，其正在改进 DRAM 和 NAND 各个领域的技术发展所需的材料和设计结构，并逐步解决可靠性问题。如果以此为基础，并取得创新，将来有可能实现 10nm 以下的 DRAM 工艺和堆叠 600 层以上的 NAND。

总的来说，虽然该技术路线图未提到2022年，但从技术更迭速度来看，2022年，SK海力士也是有望在200层以上一争高下。

·美光

美光在2020年11月宣布量产业界首个176层堆栈的NAND Flash闪存，产品在新加坡工厂量产，并通过其Crucial消费类SSD产品线送样给客户。

据了解，美光176层3D NAND部件是使用2个88层平台的字符串堆叠构建的512Gbit TLC芯片，与上一代128层3D NAND技术相比，将读取延迟和写入延迟改善了35%以上，基于ONFI接口协议规范，最大数据传输速率1600 MT/s，提高了33%，混合工作负载性能提高15%，紧凑设计使裸片尺寸减小约30%。2022年1月25日，美光科技发文称，已批量出货全球首款 176层QLC(四层单元)NAND固态硬盘(SSD)。

本土破局之道

相比全球的“大刀阔斧”，我国闪存产业就显得有点低调。由于起步较晚且缺乏技术经验累积，我国闪存技术与国际原厂之间存在一定的差距，存储芯片技术基础薄弱。

虽然发展面临一定的难题，但当前以智能手机、计算机等消费电子领域等为代表的应用正推动着中国3D NAND闪存芯片市场需求的增长。据民生证券2021年7月统计，中国是全球第二大NAND市场，NAND Flash 需求占全球 31%，但本土供应市占不足1%。

图片来源：民生证券

巨大的市场需求之下是潜在的发展机遇，再加上边缘政治冲突加大了企业对芯片国产替代的迫切心理，我国半导体产业发展势头空前迅猛，政府也在积极通过政策引导和产业资金扶持，鼓励本土存储芯片企业加强技术研发，以减少差距，早日实现自主研发。

而对于企业来说，更应该注意产业的发展周期。众所周知，NAND闪存是一个价格涨落具有明显周期性的行业，而价格的涨落又会带动整个行业形成较为明显的荣衰周期。因此，本土企业发展不仅要不断拓展、持续更新，更应该根据市场情况的变动灵活调解产能和产品推出的节奏，才能在竞争中存活下来。

行业加速发展的背景下，本土3D NAND厂商也在“闷声干大事”。以长江存储为例，作为3D NAND新晋者，长江存储在2020年4月初发布128层3D NAND ，容量分别为1.33Tb QLC和512Gb TLC 3D NAND，目前基于长江存储128层闪存技术打造的固态硬盘已经上市。此外，长江存储武汉存储器基地一期产能已稳定量产，二期也于2020年开工，持续扩大产能。

写在最后

Allied Market Research报告显示，2020 年全球 3D NAND 闪存产业产值123.8 亿美元，预计到2030 年将产值 784.2 亿美元，2021 年至 2030 年的复合年增长率为 20.3%。无论是开头提到的资本支出还是这份报告显示产业产值增长率，似乎都在说明3D NAND迎来了新一轮的上行周期，而全球巨头也开始进入产能和层数的双重“厮杀”。

但是，对于本土企业来说，虽说要时刻注意市场趋势，但也不必过于“紧绷”，毕竟面临一场下行周期未必完全就是一件坏事，或许只有经历了一轮行业周期的磨练才能成长为一家有竞争力的企业。

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