随着半导体工艺的发展,特别是CMOS工艺的特征尺寸不断减小以及各种新型工艺步骤的引入,半导体器件和电路对电过应力的天然承受能力在持续下降。而人们对于集成电路更高性能的追求,又使得静电放电(ESD)保护的设计更加困难。本文主要研究了在微米和纳米CMOS技术条件下,电路级和器件级的ESD保护的设计问题。从ESD测试、失效分析、ESD器件研究和电路设计等方面进行了分析研究。主要研究工作和成果如下:1.论文对ESD的一些基本概念进行了阐述,包括产生机理、测试模型、测试方法、失效分析、常用防护手段等方面。2.对ESD防护器件进行研究和改进设计。首先阐述了选用ESD防护器件的基本条件,对几种常用的ESD防护器件进行说明和对比,分析其优缺点和存在问题。然后以当前的研究热点SCR器件作为主要研究对象,探讨了SCR的主要问题,即开启电压、维持电压和寄生参数。最后,通过仿真对SCR器件进行了优化讨论。3.设计ESD电源箝位电路。ESD电源箝位电路是ESD防护中的必要一环,本文首先介绍了RC触发型箝位电路,分析了RC网络基本工作原理,推导了RC网络的时间常数选取原则。对0.18μm工艺,提出一种双下拉路径结构,以减小传统电路中RC网络的版图面积;在90nm工艺下MOSFET栅极漏电问题变得十分显著并且带来很大的静态漏电,在讨论过该问题后,本文提出两款低漏电的箝位电路设计,一款采用改进型RC网络,一款利用MOSFET栅极漏电触发SCR,均达到了减小漏电的目的。最后研究了电压触发的箝位电路,由于其触发效率较低,一般采用反馈来提高触发效率,但是这又存在闩锁问题,本文把RC触发和电压触发结合起来,避免了闩锁问题,又由于此RC网络经过改进,所带来的版图面积增加很小。4.高压容限ESD箝位电路在大规模SoC中使用很频繁,由于既要保证相当的泄放能力,又要保证防护电路能承受高压应力,使得它的设计是一个更加复杂的问题。本文首先讨论了高压容限全芯片ESD保护策略,指出已有两种形式的优缺点并加以改进。然后回顾了近年来的多种高压容限ESD电路,在这些已有技术的基础上,针对0.18μm工艺对已有技术进行优化设计,在90nm工艺下则提出两款新型电路,其中第一款RC触发型是由利用栅极漏电触发的电源箝位电路发展而来,第二款RC触发型则不需要Deep N-well工艺步骤。综上所述,本文以普通的CMOS工艺为基础,在微米级和纳米级尺度下研究了ESD防护器件SCR、电源箝位电路和高压容限箝位电路,分析了各自存在的问题,并从器件和电路结构上提出一些改进设计,获得了一些有意义的结果,为相关ESD设计提供了指导。