记忆的博客
YMTC 232L Xtacking3.0
现在，YMTC是3D NAND领域的领先先驱
Jeongdong Choe
2023年3月2日
编辑注:
崔正东博士于2022年12月撰写了以下文章。技术发展迅速——现在是2023年3月，刚刚宣布YMTC获得了70亿美元的巨额现金注入。我们也刚刚收到美光232L NAND固态硬盘，并将很快报告我们的发现。
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Jeongdong Choe
TechInsights高级技术研究员
2022年12月
中国NAND领域的领军企业长江存储技术有限公司(YMTC)最近的显著增长和技术实力让许多人感到意外。我很好奇他们是怎么获得超能力的。2016年YMTC宣布进军3D NAND业务时，NAND领域的元老三星、SK海力士、美光、东芝、西部数据(WD)、英特尔等6家领先企业已经开始竞争;看来，如果YMTC真的跳入3D NAND世界，它也只能指望排名第七。除了市场地位之外，YMTC在开始新的NAND业务的初期还面临着工艺、器件、设计、电路技术等其他挑战，而且缺乏量产经验。
当时有人预测，即使YMTC能够占据中国国内的部分市场，3D NAND也不会是他们的未来，而是只会让产品适用于低级应用，比如中国国内的一些安全USB设备。
然而，我想说这个预测是完全错误的。自2016年以来，YMTC结合自身基于Xtacking Hybrid bonding技术的工艺和设计技术，成功开发出更高密度的3D NAND SSD产品。这里，xtack中的“X”来自XMC公司的首字母。现在，通过跳过176层解决方案的发布，YMTC直接开始开发和量产232层Xtacking3.0，这是我们在市场上发现的第一个200层以上的解决方案。它是3D NAND领域中最先进的产品，具有最高的比特密度和最高的层数。
鉴于美光刚刚开始为个人电脑和笔记本电脑出货232L NAND SSD，三星已经成功开发了232L定制样品，SK海力士的238L开发正在进行中，YMTC的新232L Xtacking3.0 TLC技术是一种颠覆性的技术，它可能会引领3D NAND技术的未来。
图1。HIKSEMI CC700 PCIe 4.0 2TB SSD, YMTC Xtacking3.0 232L 1Tb TLC芯片，3D NAND阵列/外围x断面SEM图像，TechInsights 2022
在3D NAND技术发展初期，与三星电子一样进行大规模生产和开发的NAND的创始人KIOXIA(前东芝存储器)的112层量产和162层原型开发阶段相比，YMTC公司在落后最接近的竞争对手12个月的情况下，已经领先了一代以上。此外，YMTC从2016年起，仅用7年时间就制造并商业化了200多层产品。自三星(TCAT V-NAND)和东芝(BiCS结构)于2007年推出第一个3D NAND原型以来，2xx层3D NAND的开发和大规模生产已经花费了15年以上的时间。也就是说，YMTC 232L Xtacking3.0商用SSD产品是相当有意义的，代表着显著的技术进步。YMTC的动力和动力从何而来?
图2。YMTC 3D NAND位密度趋势，Gen1到Gen4, TechInsights 2022
让我们在这里快速浏览一下YMTC最近发货的232L Xtacking3.0 SSD产品。采用YMTC 232L芯片的产品是HIKSEMI CC700 PCIe 4.0 2TB SSD, Xtacking3.0芯片由8个1Tb芯片堆叠在一个设备包中(图1)。比特密度比之前的128L TLC第二版本Xtacking2.0 512Gb芯片增加了76%(图1)，垂直门总数为253个(图2)。
目前，NAND的比特密度已超过15.0 Gb/mm2即使是TLC产品而不是QLC产品。作为参考，美光176L QLC N48R模具有14.9 Gb/mm2密度为14.6 Gb/mm2用于232L TLC芯片。考虑到垂直栅极总数为253个，垂直单元效率超过91.6%。这与三星、美光、SK海力士等主要企业的176层量产产品相比，技术上有很大的差距。值得注意的是，美光在去年8月率先宣布了232L 3D NAND产品，三星最近也开始出货236L样品产品，但TechInsights目前还未能在公开市场上找到这些产品。我们购买和分析的YMTC 232L Xtacking3.0 SSD产品表明，YMTC的3D NAND技术和生产力有了很大的提升。
图3。YMTC 3D NAND单元结构，第1代32L至第4代232L (BL方向x线扫描电镜图像)，TechInsights 2022
YMTC公司3D NAND技术的代数对比见表1。YMTC 3D NAND的第一款婴儿产品为32层结构，在结构和工艺上与当时三星大规模生产的三星TCAT V-NAND没有太大区别。然而，YMTC并没有长期专注于32层产品的量产，而是跳过48层产品，跳到64层产品的开发。他们介绍了一种Xtacking技术，其中使用了与两块晶圆(NAND晶圆和外围逻辑电路晶圆)的h键合。NAND和逻辑晶片分别加工和连接，然后是TAC和BEOL。Xtacking技术在世界上首次应用于存储设备，YMTC成功进入高密度高性能3D NAND市场。从那以后，他们跳过了96层的产品，成功地批量生产了128层的Xtacking2.0，其中一些创新，如用于闸门的新材料(NiSi)和2层工艺，以确保他们技术实力的声誉。
| 项目 | YMTC 3D NAND Gen1 (32L MLC) | YMTC 3D NAND Gen2 (64L TLC) | YMTC 3D NAND Gen3 (128L TLC, 1B-Die) | YMTC 3D NAND Gen4 (232L TLC) |
|---|---|---|---|---|
| 父产品(示例) | 32gb安全USB | Gloway YCT512GS3-S7 Pro 512 gb固态硬盘 |
Asgard PC!e4.0 NVMe1.4 AN4 1 tb SSD |
HIKSEMI CC700 PCIe 4.0 2 tb SSD |
| 包标记 | YMEC6A1MA3A2C1 | YMN08TB1BHU1B | YMN09TC1B1HC6C | YMC6G008Tb78DA1C0 |
| 内存/设备 | 256 Gb | 1 Tb | 2 Tb | 8结核病 |
| 死的标记 | 98081一个 | BCT1B | CDT1B | EET1A |
| 体系结构 | T-CAT | Xtacking1.0 | Xtacking2.0 | Xtacking3.0 |
| #骰子，记忆/死亡 | 4、64gb | 4、256 Gb | 4、512gb | 8,1 Tb |
| 模具尺寸 | 76.30毫米2 | 57.96毫米2 | 60.42毫米2 | 68.15毫米2 |
| 记忆密度 | 0.84 Gb /毫米2 | 4.42 Gb /毫米2 | 8.48 Gb /毫米2 | 15.03 Gb /毫米2 |
| #飞机 | 1 | 2 | 4 | 6 (Center-XDEC) |
| #甲板，#盖茨 | 1, 39 t | 1、73吨 | 1,141吨(69 + 72) | 2、253t (128 + 125) |
| 垂直电池效率 | 82.1% | 87.7% | 90.8% | 91.7% |
| #金属 | 3. | 8 | 11 | 11 (BSSC) |
| 槽孔高度 | 2.74µm | 4.14µm | 8.49µm | 12.0µm |
| 俯仰(z方向，最小) | 70海里 | 58个纳米 | 58个纳米 | 48海里 |
| 提单球场 | 39个纳米 | 39个纳米 | 39个纳米 | 39个纳米 |
| 单位细胞面积 | 0.018µm2 | 0.021µm2 | 0.021µm2 | 0.021µm2 |
表1。YMTC 3D NAND器件的比较Gen1 (32L)至Gen4 (232L)， TechInsights 2022
在这种势头的推动下，现在，YMTC领先于其他公司，使用232L Xtacking3.0技术实现了SSD产品的商业化。毫不夸张地说，YMTC现在是3D NAND技术的领先公司之一。再看YMTC的Xtacking3.0芯片的NAND单元阵列，采用了新的BSSC (Backside Source Connect)技术简化了源连接过程，通过去掉甲板之间的夹层，成本和吞吐量显著提高(图4)。此外，新的Xtacking3.0 1Tb芯片采用了中心- xdec，与之前的边缘- xdec相比，提高了NAND运算速度。
图4。YMTC为Xtacking3.0、TechInsights 2022新采用BSSC(后台源连接)结构
YMTC童话般的3D NAND故事有几个背景因素需要考虑。中国政府对YMTC的大力投资和鼓励消除了研发的大部分成本风险，YMTC的高技能、勤奋的工程师和外部组织贡献的经验丰富和熟练的工程师，对晶圆厂的及时投资和保障，以及YMTC供应链的管理(HIKSEMI)是YMTC走到这一步的主要动力，并使YMTC继续成功的故事。此外，西方近年来对几家中国科技公司实施的制裁，进一步激发了中国实现技术独立的兴趣。与Logic Foundry和DRAM业务不同，为了未来的先进一代，如FinFET、GAA、mbcet和纳米线，只能使用ASML的EUVL设备和AMAT和LAM等美国公司的半导体设备，3D NAND工艺不使用EUVL设备。预计中国的自主技术实力和对下一代3D NAND产品的抢占将持续一段时间。
YMTC担心的主要原因是其3D NAND产品的商业市场主要仅限于中国大陆。YMTC的xtack产品大多用于安全、SSD和USB应用，这些应用仅在中国使用。最近，YMTC 3D NAND芯片已经开始用于一些中国智能手机产品。例如，TechInsights证实，华为Mate Xs 2折叠式手机使用了YMTC 3D NAND芯片。
15年前，3D NAND能否商业化还是一个问题。5年前，由于晶圆翘曲、电池电流、HAR等技术限制，人们质疑3D NAND产品能否超过200层。然而，今天我们已经在公开市场上看到了超过200层的SSD产品。现在，我们的问题变成了NAND产品和技术是否会超过1000层。下一代3D NAND的技术挑战将在未来得到克服和解决，预计这将导致更高的内存密度、更高的速度和更高带宽的内存技术以及混合键合、封装解决方案和CXL接口技术的进步。从我所坐的位置来看，随着3D NAND的不断发展，YMTC将继续处于领先地位。
