来源：铠侠,BiCS FLASH 3D闪存的特点 - EE Times

随着人工智能（AI）和数字化转型（DX）导致数据呈指数级增长，NAND闪存已成为一项越来越重要的技术。铠侠株式会社的第八代BiCS FLASH 3D闪存现已量产，它依赖于一种称为CMOS直接键合到阵列（CBA）的新技术。CBA由两个晶圆的高精度键合组成，以提高闪存密度和性能。

1.由于数据呈指数级增长，闪存变得越来越重要

近年来，由于各种系统的自动化、汽车电气化和生成式人工智能的兴起，生成的数据量猛增。为了处理如此大量的数据，高性能处理器正在迅速开发和采用。在这种情况下，NAND闪存（以下简称“闪存”）发挥着越来越重要的作用。

随着数据量的增加，对闪存的需求也在增加，闪存用于存储数据和应用程序，这种不断增长的需求有助于推动闪存在更大容量、提高读写性能、降低功耗和更快接口速度方面的发展。为了满足这些市场的需求，铠侠一直在开发新技术，以提高闪存的容量和密度。

2.铠侠开发闪存的方法超越了仅仅依赖垂直缩放的方法

铠侠秉承“用闪存提升世界”的使命，于1987年发明了闪存，近40年来，铠侠一直是闪存技术开发的领导者。

第一个闪存是以二维形式演变的（横向缩放）。随着存储单元阵列线和空间缩放技术的进步，每个硅芯片的存储器容量和存储器密度逐渐提高。缩放成为闪存制造商之间竞争的根源，但当内存单元阵列线和空间达到15nm工艺时，达到了极限。这是由于越来越多的问题无法忽视，包括存储单元彼此靠得太近导致电流泄漏，或者存储单元中存储的电子数量减少，从而影响读/写性能可靠性。

闪存发展的下一步包括在三维空间中堆叠存储单元（垂直缩放）。层数的增加会导致单位面积的内存单元数量增加，从而带来更高的容量和集成度。2007年，铠侠宣布推出用于堆叠存储单元的3D闪存技术。2015年，铠侠以BiCS FLASH品牌名称将48层3D闪存商业化。从那时起，铠侠大约每两年发布一次BiCS FLASH新产品，层数不断增加。2021年，铠侠发布了第6代BiCS FLASH，由162层组成。

Atsushi Inoue，铠侠闪存部门副总裁

近年来，闪存制造商主要专注于开发技术，以增加内存单元的层数和提高内存密度。每次发布新一代闪存时，层数都会增加，有些产品拥有200多层。然而，正如铠侠存储器部门副总裁Atsushi Inoue所解释的那样，“增加存储单元的层数只是增加容量和存储密度的一种方式，我们并不完全关注层数。”

增加存储单元的层数在成本和制造工艺方面带来了许多挑战，最明显的一个是制造过程的难度增加。为了形成存储单元，需要通过极薄层的堆叠进行高精度蚀刻极深和极细的孔，这需要使用尖端设备，会导致制造成本飙升。堆栈中的内存单元层数越多，生产时间就越长。

Inoue表示：“对于铠侠来说，制作3D闪存最重要的方面是如何有效地提高存储单元的集成度和密度。重要的是在单个晶圆上可以产生多少千兆字节，换句话说，就是增加千兆密度（GB/mm²）的能力。我们的方法不是简单地增加堆叠层的数量，而是通过优化内存孔深度、横向缩放技术和工艺技术等因素，确保成本和性能之间的最佳平衡。

以这种设计理念开发的最新闪存是218层第八代BiCS FLASH，最新一代产品将在铠侠四日市工厂（三重县四日市市）和北上市工厂（岩手县北上市市）生产。

3.使用CBA，控制电路和存储单元是在单独的晶圆上创建的

第8代BiCS FLASH最显著的特点是引入了一种称为“CMOS直接键合到阵列（CBA）”的技术。它涉及在单独的晶圆上创建CMOS电路，该电路控制存储单元和存储单元阵列，然后将晶圆与存储单元阵列反转并将两个晶圆粘合在一起。

对于之前的第6代BiCS闪存，在制造过程中使用了CMOS下阵列（CUA）技术。CUA过程涉及在先前制造的CMOS电路之上制作一个单元阵列，然后进行高温退火以提高存储单元的可靠性。然而，高温处理对CMOS电路中晶体管的性能特性有负面影响，因此，CUA制造过程受到严重的温度限制，为进一步提高闪存单元性能带来了障碍。

第8代BiCS FLASH中使用的CBA技术概述。（来源：铠侠）

CBA技术的优点是CMOS电路晶圆和存储单元阵列晶圆可以单独制造。仅在存储单元阵列晶圆上执行高温处理，可以达到最佳温度以确保可靠性，而无需考虑对CMOS电路的影响。通过分离晶圆制造工艺，可以最大限度地提高CMOS电路和存储单元阵列的性能。

由于这两种类型的晶圆是并行制造的，因此与传统方法相比，还有一个额外的好处，即缩短了生产时间。

然而，将晶圆粘合在一起并非易事，为了保证闪存的可靠性，在键合过程中需要极其精确的对准。“如果假设晶圆直径为1公里，则将晶圆粘合在一起所需的精度将在1毫米或更小的范围内，”Inoue 说。粘接对准精度差可能会阻止产品用作闪存，或者可能会显著降低产品的使用寿命和可靠性。

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