静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)是有限的电荷在两个不同电势的物体之间转移的事件,电荷转移引起放电现象,产生瞬间的高电压和大电流,在半导体产业中将会引起的半导体芯片的失效,特别是在半导体器件的特征尺寸越来越小的情况下,ESD引起的失效问题日益严重。0.18μm CMOS工艺下,3.3V/1.8V电源电压下的ESD设计窗口很窄,对ESD保护来说将是一个挑战,所以本文将基于0.18μm CMOS工艺进行一次完整的ESD保护研究。本文首先介绍了与ESD保护设计相关的理论基础,包括三种常用的ESD测试模型及其原理、ESD设计窗口、理想ESD器件的特征、全芯片ESD防护的相关概念,包括两种常用的全芯片ESD策略,即基于ESD总线+钳位单元的ESD保护网络和基于单电源轨的ESD保护网络,和不同电源域之间的ESD防护策略,还介绍了ESD测试的相关理论,并且着重介绍了器件级测试中的TLP测试技术。然后本文对ESD基本器件Diode、BJT、MOSFET和SCR(晶闸管、硅控整流器)进行了介绍,不同于其他文章的简单介绍,本文结合实例阐述了ESD基本器件的原理和如何在实际工程中设计这些器件,通过分析实验结果来验证理论和设计预期,并针对存在的问题提出改善方法,同时也展示了改善后的实验结果。理论结合实践,既能加深对理论的理解,又能初步掌握基本ESD器件的设计方法。随后本文对0.18μm CMOS工艺下的全芯片ESD保护研究进行了全面的阐述。首先对已有芯片进行了测试和分析,归纳了待优化芯片存在的问题,然后针对这些问题提出了三个全芯片改进方案,并对用到的ESD器件进行了仿真和设计,最后对最终被实施的方案进行了测试分析,结果显示该方案能成功的实现要求的ESD保护。最后为了加深对全芯片ESD保护的研究,提高ESD全芯片设计能力,本文又对3.3V/1.8V混合电源电压下的全芯片保护进行了设计研究,提出新的ESD保护器件LVTSCR和DTSCR,并用新设计的LVTSCR和DTSCR以及Diode对3.3V/1.8V混合电源电压下的各个端口进行了全方位的保护。随着半导体工艺的不断发展和进步,器件的特征尺寸越来越小,现在甚至已经到了7nm,但是电源电压和ESD保护能力却没有等比例缩小,所以ESD保护单元的面积没法等比例缩小,要实现一定的保护等级必须需要足够大的面积。即使是用单位面积保护能力最强的SCR,面积缩小的程度也不够,所以ESD保护以后的发展方向必然是在满足保护要求的前提下不断缩小ESD保护单元的面积,但是依现在的ESD保护方式、器件和水平上来看,要实现这一目标必须要有一次质的创新,这还有很长的路要走,前人已经为我们打好基础,需要我们及后人不断地努力探索和创新。