随着半导体制造工艺进入亚微米级以后,静电放电(ESD)已成为集成电路可靠性问题的主要因素。为避免芯片内部电路受损和发生闩锁现象,ESD设计窗口也随着工艺的发展而不断缩小,造成ESD防护设计的难度不断提升。因此,本文旨在研究设计出具有低触发电压和小回滞特性的ESD防护器件。本文基于传统防护器件触发电压过高,维持电压过低的问题,通过ESD理论分析和器件仿真相结合的方法,对可控硅(Silicon Controlled Rectifier,SCR)和双向可控硅(Dual-Direction Silicon Controlled Rectifier,DDSCR)进行研究与设计。主要工作内容包括:ESD防护设计的基本理论知识研究,ESD防护器件的工作原理以及工作特性研究,低触发器件与传统器件防护特性的对比分析,SCR器件的维持状态的理论推导与设计分析,DDSCR器件的优化模型建立与设计分析。基于0.18μm CMOS工艺,本文取得创新成果如下:(1)基于强鲁棒性的SCR结构,针对传统的LVTSCR(Low Voltage Triggering SCR)器件易发生闩锁的问题,本文提出了一种内嵌PMOS的新型LVTSCR器件结构:EPM-LVTSCR(Embedded PMOS-LVTSCR)。EPM-LVTSCR通过GGNMOS(Gate Grounded NMOS)低触发电压特性开启,且新器件的触发路径相对缩短,能进一步降低其触发电压。同时嵌入的常开PMOS管组成额外的电流通路,能有效抑制SCR路径中两个寄生晶体管互为正反馈效应,从而提高器件的维持电压。仿真结果表明:EPM-LVTSCR相比于传统LVTSCR器件,其触发电压降低了7.8%,维持电压提升了2.52V。(2)基于双向防护的DDSCR结构,针对LT＿DDSCR(Low-Triggering DDSCR)器件维持电压过低的问题,本文提出了一种内嵌双NMOS管的新型LT＿DDSCR器件结构:MHVDDSCR(Multipath High-holding Voltage DDSCR)。在具有结构对称性以及双向低触发电压特性的基础上,MHVDDSCR通过电应力促使NMOS管开启,并组成分流通路造成SCR路径上载流子的缺失,达到提高器件维持电压的目的。仿真结果表明:MHVDDSCR相比于传统LT＿DDSCR器件,其触发电压降低了5.2%,维持电压提升了5.03V。