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🧩 レイヤー整合とオーバーレイ設計原則

🧩 Layer Alignment and Overlay Design Principles

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📘 概要 | Overview

ICレイアウト設計において、各層（Poly、Metal、Viaなど）の重なり（Overlay）と基準（Reference Layer）は、
DRCルールの中核を成し、製造ばらつきや電気的接続の信頼性を大きく左右します。
In IC layout design, the overlay and reference relationships between layers (Poly, Metal, Via, etc.) are crucial for
ensuring manufacturability and connectivity reliability.

本資料では、PLY / CNT / ALA / HL（Metal1〜Via1）の関係を中心に、物理的整合性と設計指針をまとめます。
This document focuses on PLY / CNT / ALA / HL layers, explaining their physical alignment and design guidelines.

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🔤 用語補足：Overlay と Overlap の違い

🔤 Terminology Note: Overlay vs. Overlap

用語 / Term	意味 / Meaning	設計における使われ方 / In Design Context
Overlay（オーバーレイ）	マスク間の位置ずれ・整合性 Mask misalignment or registration	製造誤差を考慮した中心合わせ・マージン設計に関わる Affects centering and margin in lithography
Overlap（オーバーラップ）	図形同士の重なり・包含関係 Geometric overlap or enclosure	CNT ⊆ ALA や PLY ⊇ F のような被覆・接続設計に関わる Used for enclosures like CNT within ALA

💡 In this document, we focus on “Overlay” as the manufacturing alignment between masks, while “Overlap” refers to intentional geometric enclosures between layers.
💡 本資料では「Overlay（整合誤差）」を主に扱いますが、「Overlap（幾何的重なり）」も設計意図として重要です。

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📐 各レイヤーの基準層とオーバーレイ関係

📐 Reference Layers and Overlay Relationships

レイヤー / Layer	基準層 / Reference Layer	オーバーレイ関係 / Overlay Relationship	説明 / Description
PLY (Polysilicon)	F (Active region)	PLY ⊇ F (Fを完全に覆う)	ゲート形成用。Active領域にPolyを重ねてFETを形成 Used for gate formation; overlaps Active (F) for FET
CNT (Contact)	PLY, ALA	CNT ⊆ PLY または ALA (CNTはPLY/ALA内に収まる)	PolyやMetal1への接続孔。エンクロージャが必須 Connects to Poly or ALA; full enclosure required
ALA (Metal1)	CNT	ALA ⊇ CNT (CNTをエンクロージャ)	Contactを確実に被覆する最下層Metal。信号配線に使用 Bottom metal layer enclosing contacts; used for routing
HL (Via1)	ALA, ALB	HL ⊆ ALA ∩ ALB (上下Metal内に収める)	Metal1〜Metal2間の接続用Via。上下層に完全に重なる必要 Via between Metal1 and Metal2; must fit within both layers

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設計ルールまとめ | Design Rule Summary (CNT)

関係	指針 / Guideline
CNT → PLY	Enclose ≥ 0.06µm
CNT → ALA	Enclose ≥ 0.06µm
PLY → F	Overlay ≥ 0.0µm

flowchart TD
    subgraph ALA [Metal1 ALA]
        subgraph PLY [Polysilicon PLY]
            subgraph F [Active F]
                CNT[Contact CNT]
            end
        end
    end

    %% --- 注記ノード ---
    Note1[[CNT → PLY<br/>Enclose ≥0.06µm]]
    Note2[[CNT → ALA<br/>Enclose ≥0.06µm]]
    Note3[[PLY → F<br/>Overlay ≥0.0µm]]

    %% --- 関連付け ---
    CNT --> Note1
    CNT --> Note2
    PLY --> Note3

    %% --- スタイル ---
    style Note1 fill:#f0e6ff,stroke:#333,stroke-width:1px
    style Note2 fill:#f0e6ff,stroke:#333,stroke-width:1px
    style Note3 fill:#e6f7ff,stroke:#333,stroke-width:1px

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設計ルールまとめ | Design Rule Summary (HL)

関係	指針 / Guideline
HL → ALA	Enclose ≥ 0.06µm
HL → ALB	Enclose ≥ 0.06µm
HL（配置）	Centering recommended（上下メタルの中心合わせ）

flowchart TD
    subgraph ALB [Metal2 ALB]
        subgraph ALA [Metal1 ALA]
            HL[Via1 HL]
        end
    end

    %% --- 注記ノード ---
    Note1[[HL → ALA<br/>Enclose ≥0.06µm]]
    Note2[[HL → ALB<br/>Enclose ≥0.06µm]]
    Note3[[HL 配置<br/>Centering recommended]]

    %% --- 関連付け ---
    HL --> Note1
    HL --> Note2
    HL --> Note3

    %% --- スタイル ---
    style Note1 fill:#f0ffe6,stroke:#333,stroke-width:1px
    style Note2 fill:#f0ffe6,stroke:#333,stroke-width:1px
    style Note3 fill:#fff0e6,stroke:#333,stroke-width:1px

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🛠️ 設計ルールのポイント | Design Rule Highlights

項目 / Item	指針 / Guideline
最小エンクロージャ Minimum Enclosure	CNT→PLYやCNT→ALAで0.06μm以上（PDK依存） ≥ 0.06µm enclosure for CNTs by PLY/ALA (depends on PDK)
Overlayマージン Overlay Margin	各マスク誤差±0.04µm程度を許容。中心合わせが基本 Mask misalignment margin ±0.04µm; centering is standard
中心配置原則 Centering Rule	Contact/Viaは上下層の中心に配置してマージン確保 Place contacts/vias at center of top/bottom layers
密度・CMP考慮 Density / CMP	Dummy Fillとの干渉防止、Spacingルールとの整合が重要 Ensure compatibility with dummy fills and spacing rules

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🔍 オーバーレイ不良の例 | Examples of Overlay Misalignment

• ❌ CNTがALAからはみ出す → 接続不良、リーク、歩留まり低下
  CNT extends beyond ALA → connection failure or leakage
• ❌ HLがALAやALBからずれる → Viaオープンや抵抗増加
  HL misaligned with ALA/ALB → via open or increased resistance

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📏 補足：Overlapの数理的表現

📏 Supplement: Mathematical Representation of Overlap

オーバーレイ（Overlay）はPDKで直接扱われるが、
オーバーラップ（Overlap）は幾何学的な包含関係として数理的に表現できる。

例えば、CNT (Contact) が F, PLY, ALA の三層に収まる条件を
ベクトル的にモデル化すると次のようになる：

\[CNT = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}, \quad x=F, \; y=PLY, \; z=ALA\]

ここで $x, y, z$ は各基準層（Active, Poly, Metal1）への寄与を表す。
CNT の成立はこれらの合成距離として理解できる。

💡 This formula is a conceptual model: CNT exists as a vector sum of its enclosures in F, PLY, and ALA.

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🎯 教材的意義 | Educational Perspective

• DRCチェックだけでなく、物理的重なりの設計意図を理解する
  Understand not just DRC, but the design rationale behind overlay
• PDKルールの“重なり”と“被覆”の意味を構造図で直感化できる
  Visualize the meaning of overlap and enclosure in layout structures
• 自動配置ツールの制約も手動レイアウト理解を通じて補完可能
  Compensate for auto-layout limitations via manual design insights

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🔗 関連セクション | Related Sections

• layout_principles.md：レイアウト基本構造とルール
• cmp_dummy_pattern.md：CMP均一化の設計配慮
• ir_drop_and_em.md：配線信頼性とVia対策
• d_chapter6_pdk_and_eda_environment/：PDKルール全体像とEDAツール連携

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🧱 応用編 第4章：レイアウト設計と最適化 /
🧱 Applied Chapter 4: Layout Design and Optimization
📘 セクション一覧 / Section Index

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