Derin Okuma — Interconnect ve Damascene

Bir telin çipin kaderini belirlediği an

Bir yapay zeka hızlandırıcısının içine baktığını düşün. Milyarlarca transistör, onlarca katman, hepsi bir avuç silikonun üstünde. Şimdi o transistörleri birbirine bağlayan telleri düşün.

İşte o teller, çipin gerçek hız sınırını çiziyor. 1990'ların sonunda mühendisler tuhaf bir duvara çarptı. Transistörler küçüldükçe hızlanıyordu ama onları bağlayan alüminyum teller küçüldükçe yavaşlıyordu. Bir telin direnci kesiti daraldıkça artar, kapasitansı ise komşu tellerle yakınlaştıkça büyür. İkisinin çarpımı, sinyalin ne kadar gecikeceğini belirler. Alüminyum bu denklemde kaybediyordu.

Dahası, o dönemde bir çipin toplam gecikmesinin yaklaşık yarısı transistörlerden değil, bu tellerden geliyordu. Mühendisler transistörü ne kadar hızlandırırsa hızlandırsın, tel aynı kaldığı sürece çipin toplam hızı neredeyse hiç artmıyordu. Sorun artık bir malzeme sorunuydu.

Neden alüminyum pes etti

Bir telin gecikmesi, direnç ile kapasitansın çarpımına kabaca eşittir. Direnç, malzemenin özdirenciyle doğru, kesit alanıyla ters orantılıdır. Kapasitans ise teller birbirine yaklaştıkça artar. 250 nanometre düğümünden aşağı indiğinde alüminyumun özdirenci işi çeviremez hale geldi. Bakırın özdirenci alüminyumun yaklaşık yüzde kırk altısı kadar. Aynı geometride bakır tel, alüminyumun neredeyse yarısı kadar direnç gösterir.

Elektromigrasyon da cabası. Yoğun akım geçen alüminyum tellerde atomlar zamanla göç eder, tel incelir, kopar. Bakır bu göçe çok daha dayanıklı. Bakırın erime sıcaklığı da yüksek, 1.085 santigrat dereceye karşı alüminyumun 660 derecesi. Bu, aynı akımda daha az atom hareketi demek.

Peki neden herkes hemen bakıra geçmedi? Çünkü bakırın özdirenci düşük olsa da, ince film halinde bu avantaj kısmen erir. Bakır taneleri küçüldükçe tane sınırları artar, elektronlar bu sınırlara çarpar, direnç yükselir. Yüzey saçılması da eklenir. Tel genişliği elektronların ortalama serbest yoluna yaklaştığında, bakırın özdirenci katalog değerinin üstüne çıkar. Yani bakır, ancak belirli bir kalınlığın üstünde gerçekten bakır gibi davranır.

Sayısal eşik şurada. Bakırda elektronların ortalama serbest yolu oda sıcaklığında yaklaşık kırk nanometredir. Tel genişliği bu değerin altına indiğinde saçılma baskın hale gelir. Yirmi nanometre genişlikte özdirenç katalog değerinin belki yüzde otuz üstüne çıkar. On nanometrede bu sapma yüzde altmışı bulur. Yani 1997'de avantaj sağlayan bakır, 2020'lerin düğümlerinde kendi kendini yavaşlatıyor.

Bakırı kazamazsın, gömersin

Bakır, alüminyumun aksine silikon dioksit içinde kolayca dağılmaz. Bir bakır filmi koyup üstüne maske çizip asitle kazıdığında, bakır atıkları çipin her yerine bulaşır ve transistörleri zehirler. Klasik "depola-kazı" yöntemi burada çöküyor.

Çözüm tersine çevirmek oldu. Önce yalıtkan katmana kanal açılır, sonra bakır o kanala doldurulur, fazlası düzleştirilir. Adı damascene, Şam çeliğinin kakma işçiliğinden gelir. Kılıç ustası oyuğu açar, değerli metali içine döver, yüzeyi düzler. Çipte de aynısı olur. Kanal açılır, bakır doldurulur, kimyasal-mekanik düzleştirmeyle fazlası alınır. Tek bir katmanda milyonlarca kanal aynı anda bu işleme girer.

Damascene iki türlü yapılır. Tek damascene'de tel ve via ayrı adımlarda açılıp ayrı ayrı doldurulur. Çift damascene'de ise tel oyuğu ve altındaki via tek seferde açılır, tek seferde doldurulur. Çift damascene daha az adım demek, ama profil kontrolü çok daha zor. Modern düğümlerde neredeyse herkes çift damascene kullanır çünkü adım sayısı maliyeti doğrudan belirler.

Adım sayısının çarpanı burada hissedilir. Tek damascene'de bir katman için iki ayrı litografi, iki ayrı aşındırma, iki ayrı doldurma gerekir. Çift damascene bunu bire indirir. On beş katmanlı bir yığında bu fark otuz adım demektir. Her adım bir maske, bir hizalama, bir hata olasılığı. Yüzde doksan dokuz adım verimiyle on beş ekstra adım, toplam verimi yaklaşık yüzde on beş düşürür. O yüzden çift damascene kazanır, hem de profil zorluğuna rağmen.

Kanalı açmak bir sanattır

Yalıtkan katmana kanal açmak, plazma aşındırmayla yapılır. Flor bazlı gazlar, silikon dioksiti saatte birkaç mikrometre hızla oyar. Kanalın profili kritik. Duvarlar düzgün olmalı, taban daralmamalı, derinlik-genişlik oranı yüksek olmalı. 7 nanometre düğümünde bu oran on beşe yirmiye kadar çıkar.

Yani bir mikrometre derinliğinde, elli nanometre genişliğinde bir kuyu açıyorsun. İçine bakır dolduracaksın ve boşluk kalmayacak. Tek bir hava boşluğu, o telin direncini fırlatır ve çipi çöpe atar. Aşındırma sonrası yüzeye ince bir bariyer katmanı serilir. Tantal nitrür gibi bir film, bakırın yalıtkana sızmasını engeller. Ardından bakırın tutunacağı bir tohum katmanı gelir.

Bariyer katmanının kendisi bir sorundur. Tantal nitrür iyi bir bariyer ama iletkenliği bakırın çok altında. Kanal kesitinin belki yüzde onunu kaplar. Yani telin iletken kısmı daralır, direnç artar. O yüzden mühendisler yıllardır daha ince, daha iletken bariyerler peşinde. Kobalt bariyerler, manganez katkılı kendiliğinden oluşan katmanlar, hepsi bu yüzde onu kırmak için.

Aşındırma da tek yönlü çalışmaz. Kanal açarken yalıtkanın yan duvarlarında istenmeyen bir polimer birikir, bu polimer profili korur. Kimyası ve sıcaklığı ayarlayarak bu polimerin kalınlığı oynanır. Çok kalın olursa kanal tıkanır, çok ince olursa duvar dikeyliği bozulur. Denge, bir düğümden diğerine yeniden kurulur.

Kimyasal aşındırma seçiciliği burada belirleyici. Yalıtkanı oyarken alttaki durdurma katmanını oymamak gerekir. Seçicilik yüzde birin altına düşerse kanal tabanı delinebilir ve tel alta kısa devre yapar. Modern reçetelerde silikon nitrür durdurma katmanına karşı seçicilik otuza kadar çıkabilir. Bu, bir mikrometre yalıtkan oyarken durdurma katmanından sadece otuz nanometre almak demektir.

Yan duvar açısı da ölçülür. İdeal profil dikeydir, ama gerçekte bir ila üç derece eğim normaldir. Eğim arttıkça kanalın üstü genişler, tabanı daralır. Taban daralması via direncini yükseltir. Yedi nanometre düğümünde bir vianın direnci kabaca yirmi ohm mertebesindedir. Taban yüzde yirmi daralırsa bu direnç otuz ohm'a çıkar. Milyonlarca via'nın direnci toplandığında çipin güç bütçesi sarsılır.

Doldurma elektrokimyasal bir dans

Bakır, elektrokaplama ile doldurulur. Çip, bakır sülfat çözeltisine daldırılır ve elektrik akımı verilir. Bakır iyonları katoda doğru göç eder, kanalın dibinden yukarı doğru büyür. İstenen büyüme "bottom-up" denen alttan yukarı modeldir. Kanal ağzı erken kapanırsa içeride boşluk kalır. Bunu engellemek için çözeltiye organik katkı maddeleri konur.

Düzleştirici ajanlar kanal ağzındaki büyümeyi yavaşlatır, hızlandırıcılar dibi besler. Üçüncü bir bileşen, seviyeleyici, yüzeydeki yüksek noktalarda birikip oradaki büyümeyi baskılar. Sıcaklık tipik olarak yirmi beş derece civarında tutulur, akım yoğunluğu miliamper bölü santimetrekare mertebesindedir. Katkı maddeleri zamanla tükenir, çözelti yaşlanır. Aynı tankta üretilen bininci pul, birinciyle aynı profili vermez. O yüzden kaplama banyoları sürekli analiz edilir, katkı maddeleri takviye edilir.

Hızlandırıcının işi para biriktirmek gibidir. Moleküller kanal dibinde birikir çünkü yüzey alanı oraya doğru azalır. Dipte daha yoğun hızlandırıcı, daha hızlı bakır büyümesi demektir. Ağızda ise seviyeleyici baskın çıkar. İki molekülün bu yarışı, dibin ağızdan önce dolmasını sağlar. Yarışın dengesi sıcaklıkla, akımla ve molekül konsantrasyonuyla oynanır. Yanlış denge, ya ağızda bir dikiş çizgisi ya da dipte bir boşluk bırakır.

Bakır klorür de çözeltide rol oynar. Klor iyonları on ila elli miligram bölü litre aralığında tutulur. Iyonlar bakır yüzeyine tutunur ve katkı maddelerinin işini kolaylaştırır. Klor eksikse kaplama pürüzlü olur, fazlaysa bariyer katmanı korozyona uğrar. Banyo kimyası, bir tuzlu su akvaryumu gibi sürekli ayar ister.

Kaplama sonrası bakır tavlanır, tane yapısı irileşir, direnç düşer. Tavlama sıcaklığı genelde 200-400 santigrat derece arasıdır. Tavlama bakırı irileştirir ama bir yan etkisi vardır. Bakır genleşir, yalıtkanla farklı hızda genleşir, telde gerilme birikir. Gerilme zamanla telin kopmasına yol açabilir. Son adım kimyasal-mekanik düzleştirme.

Dönen bir tabla, aşındırıcı bir bulamaç ve baskı. Fazla bakır alınır, yüzey ayna gibi düzlenir. Kimyasal-mekanik düzleştirme kendi başına bir mühendislik alanıdır. Bulamaç kimyasal olarak bakırı yumuşatır, mekanik aşındırma onu süpürür.

Ama aynı işlem bariyer katmanını da düzlemek zorundadır ve bariyer bakırdan serttir. Farklı seçicilikte iki aşama gerekir. Aşırı düzleştirme telin üstünü aşırır, az düzleştirme fazla bakır bırakır ve kısa devre yapar.

Düzleştirme hızı da kritik. Bakır için tipik kaldırma hızı dakikada üç yüz ila altı yüz nanometre arasındadır. Bariyer için bu hız on kat düşer. Aradaki fark, bakırı hızlı alıp bariyerde fren yapmayı gerektirir. Fren noktası yanlış seçilirse ya bakır kalır ya bariyer aşınır. Kalan bakır, komşu teller arasında köprü kurar.

Aşınan bariyer, bakırın yalıtkana sızmasına kapı açar. İkisi de çipi öldürür.

Katmanlar üst üste dizilir

Tek bir bakır katmanı yetmez. Modern bir çipte on beşe kadar bakır katmanı üst üste biner. Alttakiler ince ve sık, üsttekiler kalın ve seyrek. Alt katmanlar transistörlere yakın yerel bağlantıyı yapar, üst katmanlar güç dağıtır ve çip dışına sinyal taşır. Her katman arasında bir yalıtkan ve bir via denilen dikey bağlantı vardır. Via, katmanlar arası asansör gibi çalışır.

Alt katmanların telleri çok incedir, on beş nanometre genişlikte. Tellerde direnç yüksektir ve gecikme uzundur. O yüzden yerel bağlantı kısa tutulur. Uzun mesafeli sinyaller üst katmanlara taşınır, orada teller kalın ve direnç düşüktür. Bir çipin katman yığını, bir şehir planı gibidir. Alt katmanlar ara sokaklar, üst katmanlar otoyollardır.

Katman sayısı arttıkça maske sayısı da artar. Her katman birkaç aşındırma, kaplama ve düzleştirme adımı demektir. O yüzden ileri düğümlerde toplam imalat adımı bini aşar. Her ek katman, hata olasılığını çarpar. Bir çipin verimi, en zayıf katmanın verimine yakınsar. O yüzden katman sayısı maliyetle doğrusal değil, üstel bir ilişki içindedir.

Bir de ısı sorunu var. Yirmi katmanlı bir yığının en altındaki transistörler, ısıyı yukarıya atmak zorundadır. Bakır teller ısıyı iletir ama aynı zamanda ısı kaynağıdır. Yoğun akım geçen teller ısınır, ısınan bakırın direnci artar, direnç artınca daha çok ısınır. Pozitif geri besleme, yerel sıcak noktalar yaratır. Yapay zeka çipleri tam da bu yüzden soğutma sistemlerine bu kadar bağımlı.

Bakırın sıcaklık katsayısı bu döngüyü hızlandırır. Oda sıcaklığında her santigrat derece artış, bakırın direncini binde dört civarında yükseltir. Yüz derece ısınan bir tel, direncini yüzde kırk artırır. Direnç artınca aynı akımda güç kaybı da artar çünkü kayıp dirençle doğru orantılıdır. Kayıp artınca sıcaklık daha çok yükselir. Kilitlenme, çipin belirli bir güç yoğunluğunun üstüne çıkamamasının nedenidir.

Katmanlar arası yalıtkanın da bir sınırı vardır. Yalıtkan ne kadar ince olursa kapasitans o kadar büyür. Kapasitans büyüyünce gecikme artar, güç tüketimi yükselir. Yirmi nanometre kalınlıkta bir yalıtkan, komşu teller arasında belirgin bir kuplaj yaratır. Kuplaj istenmeyen sinyal sızıntısına yol açar. Mühendisler bu yüzden düşük dielektrik sabitli malzemeler arar. Boşluk bile bir yalıtkandır, havanın dielektrik sabiti neredeyse birdir.

Piyasa Hafızası - 1997, bakırın çipe girişi

1997 yılında IBM, 220 nanometre düğümünde alüminyum yerine bakır interconnect kullanan ilk üretim sürecini duyurdu. O güne kadar tüm çipler alüminyum tellerle bağlanıyordu ve bakırın silikonu zehirleyeceği kabul ediliyordu. IBM mühendisleri bariyer katmanı ve damascene doldurma kombinasyonuyla bu engeli aştı. Aynı yıl Motorola da benzer bir duyuru yaptı ama üretime geçişte zorlandı. IBM'in avantajı, süreci fabrikada tekrarlanabilir hale getirmesindendi. Geçiş, çip performansında on yıllık bir nefes aldı.

Ders basit. Bir malzeme değişimi, mimari değişimden daha büyük kazanç getirebilir.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Duyarlılık şurada. Tel genişliği on beş nanometreden on ikiye inse, direnç yaklaşık yüzde yirmi beş artar. Kapasitans da komşu teller yakınlaştığı için yükselir. Gecikme iki katına yaklaşabilir. Aynı transistör, aynı saat hızı, ama çip yavaşlar. O yüzden ileri düğümlerde bakırın yerini kobalt veya rutenyum almaya başladı. Daha ince tellerde bakırın özdirenci yüzey saçılması yüzünden şişer.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, interconnect artık transistör kadar kritik. Çipin hızını belirleyen şey çoğu zaman telin gecikmesidir, transistörün anahtarlama hızı değil. İkincisi, damascene bir malzeme değil bir yöntemdir. Aynı mantık kobalt, rutenyum ve hatta karbon nanotüp için de uygulanıyor.

Üçüncüsü, her yeni düğüm bir malzeme krizi doğurur. Bakır 1997'de çözümdü, bugün kısmen problem. Yapay zeka çipleri bu tellerin üstünde koşuyor ve teller ısınıyor. Çipin geleceği, transistörün değil telin geleceğidir.