引言：ESD防护在集成电路中的核心地位

静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）防护是集成电路可靠性的基石。ESD防护二极管作为片上（On-Chip）防护的第一道及主要防线，其性能直接决定了芯片在制造、封装、测试及终端应用中的生存率。随着工艺节点不断微缩，电源电压降低，栅氧厚度减薄，芯片固有的ESD鲁棒性急剧下降，这对专用ESD器件的设计与制造工艺提出了前所未有的挑战。ESD二极管的工艺进展，本质上是如何在先进工艺框架下，平衡性能、面积、寄生效应与成本的多目标优化过程。

传统平面工艺下的ESD二极管实现

在微米级及早期亚微米CMOS工艺中，ESD防护结构主要利用工艺标准器件构建。最典型的是基于PN结的二极管，包括栅接地NMOS（GGNMOS）中寄生的双极晶体管、硅控整流器（SCR）以及专用的PN结二极管。这些器件在工艺上无需额外掩模，通过源/漏注入形成P+和N+区，与衬底或阱构成垂直或横向PN结。其ESD性能（如触发电压Vt1、维持电压Vh、失效电流It2）强烈依赖于结深、掺杂浓度、硅化物阻挡层（SAB）设计以及接触孔到栅极间距等工艺参数。例如，采用深N阱隔离可构建独立的ESD防护二极管，避免闩锁效应。此阶段的工艺重点在于通过调整注入能量与剂量、退火条件来控制结特性，并通过设计规则优化布局以分散电流、防止热失效。

工艺节点微缩带来的根本性挑战

进入纳米节点后，工艺演进对ESD防护构成了结构性限制。首先，栅氧化层厚度降至2nm以下，其对过压的耐受能力（Vbd）远低于ESD事件电压，要求防护器件必须在极低的触发电压下快速响应。其次，浅结与高掺杂梯度导致结的热容降低，能量耗散能力（即It2）下降。第三，铜互连取代铝，其电迁移阈值更低，在ESD大电流下更易损坏。最后，应变硅、高K金属栅等新材料的引入，改变了载流子迁移率和热导率，影响了ESD器件的瞬态响应。这些因素迫使ESD防护从“利用寄生”转向“专用优化”的工艺集成路径。

先进工艺节点的专用ESD工艺集成方案

为应对上述挑战，在65nm及更先进节点，出现了多种专用的ESD工艺集成技术：

1. 改进的硅化物阻挡层与接触工程：精确设计SAB图形，在ESD器件有源区部分或全部阻挡硅化物的形成，以增加串联电阻，促进电流均匀分布，防止结区局部过热。同时，优化接触孔阵列的排布与密度，以降低接触界面处的电流拥挤。

2. 阱与注入优化：通过额外掩模，为ESD器件引入定制化的阱（如更深、掺杂更缓的N阱/P阱），以构建具有更高击穿电压和热容的结。例如，在28nm HKMG工艺中，采用中压（MV）或高压（HV）器件工艺模块来制造ESD二极管，因其具有更厚的栅氧和更深的结，虽然面积较大，但提供了优异的ESD鲁棒性。

3. 基于BCD工艺的高性能ESD器件：在需要驱动外部负载的芯片（如显示驱动、电源管理）中，广泛采用BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺。该工艺天然支持制造垂直结构的PNP/NPN晶体管及二极管，其深结、低掺杂外延层特性使得器件能够承受数十安培的ESD电流。通过调整外延层厚度、埋层浓度，可以精确设计器件的击穿特性与热失效阈值。

4. FinFET工艺下的ESD设计挑战与工艺协同：在16/14nm及以下的FinFET节点，三维鳍状沟道结构使得传统平面ESD器件设计几乎失效。FinFET的窄鳍对电流承载能力有限，且其寄生双极晶体管特性难以利用。当前解决方案主要分为两类：一是采用前段制程（FEOL）中保留的平面器件模块（如IO器件）来构建ESD防护；二是在封装层面，利用更先进的硅中介层或封装内集成无源器件（IPD）技术，将高性能的ESD二极管作为独立芯片进行集成，即“片上”（On-Board）或“封装内”（In-Package）防护，这实际上将部分ESD工艺挑战从先进逻辑工艺中剥离。

面向未来的工艺发展趋势

未来ESD防护工艺的发展将呈现多维融合态势：

工艺-设计协同优化（PDCO）：ESD性能将成为工艺设计套件（PDK）中的关键模型参数。工艺厂需提供经过硅验证的、针对不同接口电压域优化的ESD器件IP，并精确表征其在不同ESD应力模型（HBM, CDM, MM）下的性能。

新材料与新结构探索：基于碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体的ESD器件开始研究，它们具有更高的热导率和临界击穿场强，有望用于极端环境。此外，纳米线、纳米片等GAA结构下的ESD器件机理也是前沿课题。

系统级防护与异质集成：随着Chiplet和3D集成技术的普及，ESD防护将更多地从晶体管级转向系统级考虑。在基板、中介层或再分布层（RDL）上制造薄膜ESD二极管，并与核心芯片进行异质集成，将成为平衡性能、成本与工艺兼容性的重要路径。

结论

ESD防护二极管的芯片生产工艺，已从早期基于标准CMOS工艺的寄生利用，演变为在先进节点下需要深度定制与协同优化的关键技术模块。其进展不仅体现在阱工程、注入方案和硅化物控制等细节工艺的精确调控上，更体现在从平面到三维结构、从单一芯片到系统级封装的整体设计范式的转变。持续的材料创新、工艺-设计-封装协同，是应对未来更苛刻的ESD防护要求的必然方向。ESD工艺的稳健性，始终是支撑集成电路产业可靠性的隐形支柱。