🧪 CMP対応のダミーパターンと均一化設計
🧪 CMP-Compatible Dummy Pattern and Density Equalization Design
📘 概要 | Overview
CMP（Chemical Mechanical Polishing）は、金属層や絶縁層の平坦化（planarization）を目的とした工程で、
レイアウト設計におけるパターン密度の均一性が品質に直結します。
CMP (Chemical Mechanical Polishing) is a planarization process for metal and dielectric layers,
where layout density uniformity directly affects manufacturing quality.
本セクションでは、CMP非均一性による不具合と、Metal Fill（ダミーパターン）による対応技術を学びます。
This section covers CMP-related issues and the use of metal fill (dummy patterns) to address them.
🧩 CMPとは | What is CMP?
| 項目 / Item | 内容 / Description |
|---|---|
| 目的 Purpose |
層間の段差をなくし、表面を平坦に保つ Eliminates step differences between layers for planar surfaces |
| 工法 Method |
スラリー＋パッドでの機械的・化学的研磨 Mechanical + chemical polishing using slurry and pad |
| 適用層 Target Layers |
メタル層間、STI、ILD など Metal layers, STI, interlayer dielectrics |
| 問題点 Issues |
パターン密度に依存して研磨量に差 → オーバー研磨／アンダー研磨 Polishing rate varies with pattern density → Over- or under-polishing |
⚠️ CMP非均一性の問題 | Issues from CMP Non-Uniformity
- ⚡ 配線密度が高い部分は研磨不足、低密度部分は過研磨
High-density areas are under-polished, while low-density areas are over-polished - 🧨 その結果：
- Via露出不足 / Via Contact Failure
- Metal断線・短絡 / Open or Short in Metal Lines
- 誘電膜厚の不均一 → クロストーク上昇 / Non-uniform dielectric thickness → Crosstalk increase
🧱 Metal Fill（ダミーパターン）の種類 | Types of Dummy Patterns
| 種類 / Type | 用途 / Purpose | 配慮点 / Considerations |
|---|---|---|
| Dummy Metal | 空白領域を金属で埋めて密度均一化 Fills empty areas to equalize density |
信号とのカップリング抑制距離を確保 Maintain spacing to minimize coupling |
| Dummy Via | Via密度均一化、構造対称性向上 Equalize via density, improve symmetry |
層間接続への影響を最小化 Minimize impact on routing layers |
| Dummy Poly | ポリシリコン領域の密度均一化（特にゲート間） Equalize poly density, especially between gates |
デバイス特性への影響を避けるため配置に制約あり Requires careful placement to avoid affecting device behavior |
📐 Density Rule（密度ルール） | Density Rule in PDK
- 📏 局所密度制約：40〜60%（例：100μm × 100μm ウィンドウ）
Local density range: typically 40–60% within a defined window (e.g., 100μm × 100μm) - 📊 層ごとの平均密度チェック（global & local）
Density constraints apply to each metal layer both globally and locally - 🔁 一定以上の空白領域では自動Metal Fillが挿入される
Automated metal fill insertion is applied where gaps exceed defined thresholds
✅ 多くのEDAツール（Innovus, ICC2など）でAuto Fill機能が利用可能
Most EDA tools provide Auto Fill functionality before tapeout
🛠️ 実務上の工夫 | Practical Considerations
- 🧩 Dummy Metalに擬似Net（Dummy Net）を割り当てることで浮遊容量の影響を軽減
Assigning dummy nets to dummy metal can reduce parasitic coupling - 🛑 クロック・高速信号配線の周囲はFill除外（除外リージョン）
Exclude fill around high-speed/clock nets to prevent noise - 🔄 Guard Ring（ガードリング）との兼ね合いにも注意
Be mindful of interactions with guard rings used for latch-up prevention
🎯 教材的意義 | Educational Perspective
- 🎓 「なぜ空白を埋めるのか？」をCMP物理から理解する
Understand “why we fill empty spaces” from a CMP physics perspective - 🤖 自動設計ツールの内部原理を学ぶ入り口に
A gateway to understanding the internal logic of automated design tools - 🛡️ 設計によって製造信頼性が大きく変わることを実感
Realize how design choices impact manufacturing reliability
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➡ IR Drop and Electromigration Countermeasures
🧱 応用編 第4章：レイアウト設計と最適化 /
🧱 Applied Chapter 4: Layout Design and Optimization
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