集成电路的生产涉及电路设计、材料合成、器件制造、封装测试等众多领域,全产业链营造了集成电路牵一发动全身的特性,环环相扣。集成电路的可靠性测试是检验产品最终能否正常工作的重要步骤。静电放电（Electrostatic Discharge,ESD）是影响产品可靠性的众多因素之一,其特点是无处不在,需要设计专门的ESD保护电路以保障芯片正常工作。随着工艺尺寸的减小,增加了ESD防护器件的设计难度。ESD防护器件的设计主要采用软件仿真,缺乏微观结构与器件性能关联的直接证据,无法考虑生产过程中所涉及的材料问题,一旦生产工艺不合适,导致流片失败。此设计过程费用高、耗时长。以显微技术为主的失效分析技术因可实际观测到损伤区域,其分析结果可揭示器件的失效机理,常用于器件的设计优化。本文基于以上技术,研究新型ESD防护器件的失效机理与优化。具体的研究内容与成果如下:（1）研究基于0.3?m技术节点的二极管串触发可控硅整流器（DiodeTriggered Silicon-Controlled Rectifiers,DTSCR）的可靠性,指出其失效原因之一是衬底与隔离材料热膨胀系数不匹配,形成新的漏电通路。以DTSCR器件为研究对象,通过传输线脉冲技术（Transmission Line Pulsing,TLP）方法模拟ESD放电过程。首先,发现器件存在漏电流的异常行为,随后使用X射线显微镜定位到DTSCR的SCR区域的终端部分与中间部分为失效区域,尺寸在微米级别。其次,使用光致阻变技术（Optical Beam Induced Resistance Change,OBIRCH）,对失效区域内微米级别的漏电点进行定位,根据定位结果使用双束聚焦离子束（Dual-Beam Focused Ion Beam,DB-FIB）制得包含缺陷的透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）样品。进一步的分析结果发现硅衬底中的裂缝形成了新的漏电通路,该裂缝的横向宽度达到14.5?m,这是造成漏电左偏的关键因素。（2）研究基于65 nm技术节点的新型的改进型横向SCR（Enhanced Modified Lateral SCR,EMLSCR）的可靠性,指出其失效原因之一是金属硅化物接触层熔化形成金属细丝,导致器件漏电发生。以EMLSCR器件设计为例,通过TLP模拟ESD放电过程,捕捉临界失效微区,分析器件的失效机理。通过OBIRCH定位技术初步确定漏电区域,使用DB-FIB技术精确切割样品,制备失效器件的TEM薄片。从样品击穿后的缺陷形貌和化学成分分析可知,SCR区域存在不均匀金属细丝的分布。原因是阴极N+遭受寄生NPN路径和SCR路径的双重叠加,导致了阴极N+相比于阳极P+受损更严重。根据以上失效原因,采用计算机辅助设计工具验证器件运行机理,并通过增加阴极N+宽度的方法,提高器件的鲁棒性。优化前后晶格温度和电流密度的对比结果皆可以证实此方法的有效性。综上,本文基于显微技术研究DTSCR和EMLSCR的可靠性问题,揭示了这两种器件的失效机理,有助于促进新型ESD防护器件领域的可靠性研究。