随着集成电路工艺的进步,CMOS集成电路规模不断缩小以在同一区域封装更多的晶体管来提高运行速度和性能,栅极氧化物尺寸也被缩小以增加晶体管的电流密度,这使得集成电路芯片愈发脆弱,ESD静电放电造成的电子产品失效日渐显著,严重恶化芯片的可靠性。因此,集成电路的ESD防护问题也越发受到国内外产业界和学术界的重视,越来越多的产业界和学术界的研究人员投入到集成电路的ESD防护设计领域进行了深入研究,ESD静电防护也已经成为了半导体行业新的研究热点。本文的主要研究方向是ESD防护设计中的抗闩锁研究。文中介绍了ESD防护的相关基本理论和设计难点,基于多种不同的工艺制程及工作电压完成了ESD保护器件的抗闩锁设计,满足了相关应用领域的防护设计要求。本文的主要工作和创新点总结如下:(1)针对先进工艺中常用到的LVTSCR维持电压较低的问题,提出了一种具有低触发电压和高维持电压的MLVTSCR器件。通过将LVTSCR的跨接N+区域分割,并在其中嵌入P+区域,可以有效提升MLVTSCR器件的维持电压。其次,通过在NLVTSCR中引入PLVTSCR器件,构成了另一种新型ILVTSCR。通过在器件中引入一条新的电流泄放路径,实现了对ILVTSCR维持电压的提升。最后,提出一种新型的纵向双极结晶体管(BJT)触发硅控整流器(VBTSCR)。在基区浮空的纵向NPN晶体管的帮助下,新的硅控整流器(SCR)结构在相同的布局下,比先前的增强型横向硅控整流器(EMLSCR)获得更低的触发电压和更好的箝位能力。上述三种新型ESD器件相比传统的ESD防护器件,更适用于低压ESD防护工程。(2)针对中高压常用的MLSCR器件进行了一系列优化工作。首先,提出了一种嵌入NMOSFET的新型高维持电压硅控整流器(HHSCR)。通过将NMOSFET嵌入在改进的横向硅控整流器(MLSCR)的P阱中构建HHSCR,具有紧凑的布局,可以在较小的面积内提供较高的鲁棒性。其次,针对MLSCR的失效电流随维持电压上升而下降的问题,提出了一种增强型栅控二极管触发硅控整流器(EGDTSCR),具有显著改善的维持电压和失效电流。通过在传统的MLSCR器件中添加两个栅控二极管,EGDTSCR在提供更高的维持电压的同时,还可有效提高器件的ESD鲁棒性。最后,针对RS232的系统级ESD防护,设计了片上TVS来保护RS232的I/O端口。片上TVS由IHBSCR实现,具有高维持电压和几乎无snapback特性,维持电流远高于最大I/O工作电流。通过嵌入两个p+/DNW/n+二极管到传统的双向DMLSCR,借助于表面P+/DNW/N+二极管路径的辅助泄放,IHBSCR具有极高的维持电压(几乎无回滞)和优越的鲁棒性,能够更有效地预防闩锁效应的发生。(3)基于高压BCD工艺中常见的闩锁问题,提出了几种新型的改进结构,有效提高了高压ESD器件的抗闩锁能力。首先,针对LMDOS-SCR的低维持电压,提出了一种P+浮空的新型ESD保护器件MLDMOS-SCR。通过将阳极P+浮空,并在源极插入一个额外的P+区域,形成RC电路降低触发和一个浮空的PIN二极管来提高维持电压。其次,针对LDMOS-SCR的低维持电压提出了一种改进的横向双扩散MOS硅控整流器(ILDMOS-SCR)。通过在传统的LDMOS-SCR中嵌入一个栅控二极管,借助反向栅控PIN二极管通路的辅助泄放,ILDMOS-SCR可大幅提高维持电压以实现闩锁免疫。此外,通过增加器件宽度的方式有效解决了ILDMOS-SCR单指器件中出现的电流饱和效应,实现了极佳的ESD性能。最后,利用分割技术实现了一种高维持电压的SEG-LDMOS-DDSCR。通过将双向LDMOS-DDSCR的两边源极N+切割并嵌入P+块,降低了寄生NPN的发射极效率使β下降,同时插入的P+块形成了内嵌PIN二极管,有效的提高了SEG-LDMOS-DDSCR的维持电压,避免了高压应用中常见的闩锁效应的发生。