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Technischer Durchbruch

YMTC mit 232-Layer-NAND-Flash

20. Juli 2023, 9:45 Uhr | Heinz Arnold

Schnittbild durch den 232-Layer-3D-NAND-Flash-Speicher von YMTC. Deutlich zu sehen ist, wie sich die Wolfram-Wordline- und Siliziumdioxidschichten abwechseln und den 3D-Gesamtstapel bilden. Er ist noch einmal in ein oberes und ein unteres »Deck« geteilt, die nacheinander geätzt werden, so dass vermieden wird durch die Höhe des Gesamtstapels in einem Schritt zu ätzen.

Als »überraschend« werten die Analysten von Yole, dass YMTC als erster Hersteller 232-Layer-NAND-Flash-ICs wirtschaftlich fertigen kann. Hier erklären sie, wie dies gelang und warum YMTC trotzdem mit Gegenwind zu kämpfen hat.

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YMTC hat mit der neuen NAND-Flash-IC-Generation mit 232 Layern einen neuen Rekord aufgestellt. Laut Yole SystemPlus ist dem chinesischen Hersteller damit ein technischer Durchbruch gelungen: Der neue Flash-Speicher erreicht die derzeit höchste Speicherkapazität.

Ein 3D-NAND-Flash-IC mit 232 Layern bei guter Ausbeute zu fertigen, ist nicht einfach. Die Experten von Yole SystemPlus haben den neuen NAND-Flash-IC von YMTC analysiert und die Ergebnisse in ihrem Report »YMTC 232-layer 3D NAND Memory« veröffentlicht. Dort geben sie einen Überblick über den gesamten Fertigungsprozess und werfen einen Blick auf die Geheimnisse, die sich hinter der »XTacking«-Architektur von YMTC verbergen. Außerdem vergleicht Yole SystemPlus die Kernfunktionen der neuen NAND-Flash-ICs mit den Vorgängertypen: Den NAND-Flash-Seicher mit 64 Layern, den YMTC vor drei Jahren vorgestellt hatte, und den Typen der dritten Generation, die mit 128 Layern ausgestattet ist.

Gegenwind trotz technischer Durchbrüche

Trotz der technischen Durchbrüche weht YMTC derzeit der Wind aus mehreren Richtungen ins Gesicht. Erstens befindet sich der Speichermarkt in seinem heftigsten Abschwung seit 15 Jahren. Die ASPs für NAND-Speicher sind seit dem dritten Quartal 2022 um 55 Prozent gefallen und erreichen jetzt 0,05 Dollar pro GB. Zweites haben die USA ihre Ausfuhrrestriktionen verschärft. Sie sehen jetzt vor, dass Hersteller von Maschinen, mit deren Hilfe NAND-Flash-ICs mit 128 und mehr Layern gefertigt werden können, um eine Lizenz nachsuchen müssen, wenn sie ihre Maschinen nach China exportieren wollen, was einem Lieferbann gleichkommt.

Dass es YMTC trotz dieser Bedingungen nach Ansicht von Yole gelungen ist, die technischen Fortschritte innerhalb relativ kurzer Zeit zu erreichen, bezeichnen die Analysten als bemerkenswert.

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Die »Xtacking«-Architektur von YMTC

Das Herz der NAND-Flash-ICs ist die »Xtacking«-Architektur. Dazu wird auf zwei Wafern parallel gefertigt: Auf dem einen Wafer werden die elektronischen Schaltungen in CMOS-Technik aufgebaut, auf dem anderen die NAND-Arrays. Dann werden beide Wafer über Metall-Pads gebondet.

Wie ein Schnittbild zeigt, folgen Wolfram-Wordlines und SiO-Schichten abwechselnd aufeinander. Diese Schichten sind in zwei getrennten Stapeln angeordnet, Yole nennt sie »Decks«. Damit lässt sich das Ätzen von Löchern mit hohem Öffnungsverhältnis reduzieren. Denn wen drch die Gesamthöhe der Layer geätzt werden müsste, betrüge dieses dieses Verhältnis 109 : 1, was das Ätzen und das anschießende Füllen der Gräben sehr schwierig gemacht hätte.

Die Kunst besteht darin, das richtige Verhältnis zwischen Ausbeuteverlusten und der Kosten für eine hohe Anzahl von aufeinanderfolgenden Ätzprozessen zu finden. 253 Wordlines befinden sich in einem vertikalen NAND-Strang. 128 Layer bilden das Deck 1 und 125 das Deck 2. Es sind also 146 Schichten zusätzlich zu den 232 aktiven Layern vorhanden. Sie werden als Dummy- und Selection-Layer genutzt.

Nach der Analyse von Yole SystemPlus wird eine hybride Direktbonding-Technik dazu herangezogen, die Kupfer-Kupfer-Verbindungen herzustellen, die die Wafer miteinander verbinden. YMTC ist der erste Hersteller, der diesen Prozess für die Fertigung von Speicher-ICs nutzt. Damit lassen sich die Abstände zwischen den Bond-Pads auf 0,8 µm reduzieren. Laut Yole findet zusätzlich aktives Alignment statt, so dass der Versatz höchstens 22 nm beträgt, 6 Prozent der Pad-Fläche.

Auf Basis der »Xtacking«-Architektur erreicht die vierte Generation eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit und eine höhere Speicherkapazität als die Vorgängergeneration. Sie hat sich gegenüber der zweiten Generation um den Faktor 3,5 erhöht. Mit 15,47 Gb/mm² übertrifft die Speicherkapazität der 232-Layer-NAND-Flash-ICs die der 176-Layer-Typen von Samsung und Micron, die auf 10.9 Gb/mm² and 10.29 Gb/mm² kommen.

Die Die-Fläche hat sich wenig verändert. Sie ist pro Generation um nur 5 bis 10 Prozent gewachsen, während sich die Kapazität sich bei jeder neuen Generation – 32 GB, 64 GB und 128 GB – verdoppelt hat. Weil sich die Anzahl der Layer der vierten Generation noch einmal fast verdoppelt hat, wäre anzunehmen, dass sich auch die Stapelhöhe der Layer der ICs verdoppeln würde. Tatsächlich lag die Stapelhöhe der zweiten Generation bei 4,4 µm und hat sich in der dritten Generation auf 8,6 µm fast verzweifacht. Das gilt allerdings für die vierte Generation nicht mehr: Mit nur 11,9 µm liegt sie weit unter dem Doppelten der dritten Generation. YMTC konnte dies ist dies laut Yole erreichen, weil der Pitch der Wordline gegenüber der Vorgängergeneration um 20 Prozent reduziert wurde.

Lieferbann für Equipment setzt YMTC unter Druck

Derzeit hält YMTC noch keinen nennenswerten Marktanteil. Trotz seines meteorhaften Aufstiegs seit der Gründung im Jahr 2016 und der technologischen Spitzenstellung ist es nicht so einfach, gegenüber den alteingesessenen Herstellern wie Samsung, SK hynix, Micron Technology, Western Digital und Kioxia Marktanteile zu gewinnen, zumal YMTC auch noch die Auswirkungen des Handelsstreits zwischen den USA und China verkraften muss: Gerade als YMTC einen wichtigen Liefervertrag mit Apple abschließen wollte, wurde das Unternehmen in die Entity-List der USA eingetragen, so wie Huawei drei Jahre zuvor. Das kommt einem Lieferbann gleich, YMTC kommt so kaum an die neusten Maschinen heran, die für die Fertigung der neusten NAND-Flash-Generationen benötigt werden.

Es bleibt also abzuwarten, wie lange private und staatliche Investoren YMTC noch über Wasser halten können oder wollen.