随着半导体制造工艺的特征尺寸越来越小,静电放电(ESD,Electro-StaticDischarge)已经成为集成电路中最重要的可靠性问题之一。半导体制造工艺的不断改进使得ESD防护设计越来越困难,国内在ESD领域的研究相对较少。本论文主要研究了芯片上ESD防护设计,TCAD(工艺计算机辅助设计)仿真,及电路级建模。本论文采用的工艺有:华虹NEC0.18μm EEPROM CMOS工艺,和舰0.18μmCMOS工艺,中芯国际0.18μm CMOS工艺和90nm CMOS工艺。论文首先设计并流片测试了现有常用的ESD防护器件,对主要的器件就行了评估:LSCR(横向SCR),MLSCR(改进式横向SCR),LVTSCR(低触发电压SCR),HHSCR(高维持电压SCR)和外部电路触发的ESD防护器件。在此基础上,本文提出并分析了两种新颖的ESD防护器件:多晶硅栅辅助SCR(PASCR)和对称式SCR。PASCR结构采用了多晶硅版图层次,测试结果表明PASCR具有优秀的ESD防护鲁棒性能。单叉指PASCR只占据947μm~2的版图面积,能够承载7-kV的人体模型的静电冲击。PASCR的鲁棒性可以由“前向泄放通道抚平效应”和“边缘泄放通道效应”来解释。在对称式版图SCR部分,多又指的双流向对称式版图SCR和四流向对称式版图SCR能够产生更均匀的电流通道来更好地泄放ESD电流。对称式版图SCR的TLP测试结果表明在相同的版图面积下,双流向对称式版图SCR的鲁棒性比传统多叉指MLSCR提高两倍以上,并且能够承载15-kV的人体模型的静电冲击。同时,四流向对称式版图MLSCR的面积只有传统非对称式版图的39%,但是能够耐受同等程度的ESD冲击。测试结果进一步表明了PASCR和对称式版图SCR的“S”型电流-电压特性能够根据不同的被防护电路做出相应的调整。论文针对实际生产中的某个特定工艺,提出了一个基于SCR的片上ESD防护解决方案。测试结果表明该ESD防护设计解决方案完全满足设计指标。对于ESD防护器件的TCAD仿真,本学位论文在传统直流仿真的基础上提出了一种新颖的评估ESD防护器件综合性能的方法。这个仿真方法采用了能够更好地描述ESD事件的混合瞬态仿真电路模式。该方法论可以综合评估ESD防护器件的鲁棒性,有效性,透明性,和敏捷性。本学位论文根据这个TCAD仿真方法对基于SCR的ESD防护器件进行了鲁棒性能评估,并提出了“鲁棒系数”的概念。“鲁棒系数”可以用来比较不同ESD模型和等级,不同类型的ESD防护器件的鲁棒性能。仿真和测试结果比较表明:本文中的TCAD瞬态评估方法论的收敛性好,并对ESD器件的设计有很强的指导作用。最后本学位论文提出了基于Verilog-A语言的ggNMOS(栅接地NMOS)和SCR的宏模块模型。在ggNMOS的建模中,本文指出了一种提取“雪崩击穿”和“二次击穿”电学参数的方法。SCR模型包含了七个用Verilog A语言编写的宏模块。本文对这七个模块的物理方程做了详细的描述。从ggNMOS和SCR的仿真结果可以看出,这两个器件模型的建立对系统级仿真ESD防护有很强的指导作用。本学位论文的研究工作对深亚微米工艺中ESD防护设计的解决具有重要的指导意义。有关ESD防护设计已经在相关工艺线中得到应用(包括某公司的智能卡芯片等)。论文主要创新点包括:利用多晶硅版图层次设计ESD防护器件;利用空间对称式版图结构提高了防护器件的导通均匀性;利用TCAD瞬态仿真技术对ESD防护器件作了综合性能评估。上述创新点已经申请了发明专利。另外,本文对基本的ESD器件进行的电路级宏模块建模也具有一定创新性。本课题的下一步工作:进一步提高TCAD仿真和实测数据的参数匹配性,以及调整ESD防护器件电学参数的设计方法。