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静电放电(ESD)对集成电路(IC)及电子产品的影响日益不容忽视。随着Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺的快速发展与高压IC应用领域的扩大,适用于中低压IC的传统ESD防护器件并不能直接移植应用于高压IC,成为了高压IC ESD防护领域一个比较棘手的问题。针对高压IC的工作特点及其ESD防护需求,设计高性能的ESD防护器件,近年来已成为该领域的热点问题。本文基于高压IC的制备工艺,研究了高压ESD防护器件的工作原理;遵循ESD设计规则,改进了器件结构与优化版图或金属布线等,设计了具有高维持电压、抗闩锁性能的ESD防护器件;同时,利用Sentaurus仿真软件分析了器件内部的电学特性变化,并结合实际的流片测试,验证了器件的ESD性能。论文的主要内容归纳如下。首先简要介绍了ESD模型、失效类型和传输线脉冲(TLP)测试方法;概述了计算机辅助工艺设计(TCAD)仿真软件的应用方法及器件结构、电学特性的仿真流程;研究了二极管、MOS管、可控硅(SCR)和内嵌SCR的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS-SCR)器件的ESD防护工作原理,并结合部分器件的3D TCAD仿真研究,初步探讨了在ESD应力作用下的器件内部物理机制。其次,基于0.35-μm BCD工艺制备了传统LDMOS-SCR器件,结合3D TCAD仿真及TLP测试,分析了器件的工作原理及其ESD防护性能。通过在传统LDMOS-SCR结构中分别设计阳极环形N+结构和增加阳极端漂移区,制备了两种具有新型结构的LDMOS-SCR器件。实验测试结果表明:与传统LDMOS器件相比,新型阳极环形N+结构的LDMOS-SCR器件和阳极端含漂移区的LDMOS-SCR器件的维持电压可分别从2.75 V增大至8.41 V和16.20 V。此外,通过增加沟道长度以及浮空N+与阳极端N+接触孔之间的间距,可以持续提高器件的维持电压。在传统LDMOS-SCR的基础上,为了提高维持电压及抗闩锁能力,通过采取增加NBL埋层和嵌入P-Body层等方法,设计了新型LDMOS-SCR器件。受流片周期限制,主要通过TCAD仿真分析了该新器件的工作特性及电学原理,评估了其ESD防护特性。再次,基于0.5-μm BCD工艺,设计了改进型内嵌PMOS双向SCR器件,3D TCAD仿真及流片测试结果表明:与传统双向SCR相比,改进型内嵌PMOS双向SCR器件不仅具有低触发电压和高维持电压,而且具有较小的版图面积,可提高器件单面面积的ESD鲁棒性。通过调整块状N+与P+的个数,发现N+/P+的比例越小,改进后器件的维持电压越高,可增强器件的抗闩锁能力。该设计方法可为高压ESD防护器件的设计或改进提供有益的参考。最后,为提高双向SCR结构的维持电压,增强其抗闩锁性,提出了一种内嵌叉指NMOS双向SCR结构的ESD保护器件。通过分析其等效电路及3D TCAD仿真研究,初步预测了该器件的ESD防护特性。