负偏压温度不稳定性(Negative Bias Temperature Instability,NBTI)主要由界面缺陷和发生在栅电介质缺陷中的空穴俘获导致,会引起PMOS晶体管的阈值电压、线性和饱和漏极电流、跨导以及亚阈值斜率等关键的电性能参数随时间产生渐变的偏移,从而降低模拟、数字和存储器电路的性能,器件和电路的寿命也随之缩短。NBTI是影响纳米工艺代MOS器件可靠性的关键物理效应,其研究对于集成电路设计具有重要的学术意义和应用价值。本论文基于解释NBTI效应的反应扩散理论及其经典模型,针对DC应力和低频AC应力下纳米工艺代MOS器件的NBTI退化行为,研究并提出用于描述器件阈值电压退化量随时间变化关系的新型解析模型,并通过实测数据验证了上述模型的有效性。总结本文取得主要成果如下:一、提出并实现了可精准描述DC应力下NBTI长时恢复的解析模型。该模型突破了传统解析模型的不足,增加了影响NBTI效应长时恢复趋势的界面陷阱快速恢复、H2扩散系数随时间衰减和H2锁定效应等三个因素。该模型能有效拟合40纳米工艺MOS器件的实测数据。该部分工作成果发表于SCI检索期刊Microelectronics Reliability(Vol.75(2017)20-26)。二、基于40nm工艺MOS器件的NBTI退化实测数据,本文结合复合模型分析NBTI的特性参量。本文讨论了器件阈值电压退化量和寿命关于电压、温度等应力条件的变化趋势,得出了时间常数、阿伦尼乌斯温度激活能和幂律栅氧场加速因子等特性参量。基于复合模型,本文详细描述了NBTI的恢复行为。取得工作成果发表于SCI检索期刊Chinese Physics B(Vol.26,No.10(2017)108503)。三、针对低频AC情况下NBTI退化行为,提出用于预测NBTI导致的阈值电压退化量随时间变化关系的迭代型和非迭代型解析模型。本文结合反应扩散理论,在考虑H2锁定效应和界面陷阱快速电子捕获及脱离的基础上,得出实时的退化量和第一个周期原始退化量之间的相对比值的迭代型表达式。在长时退化时,迭代型解析式子可被简化为递归式子,从而得到非迭代型解析模型。本文通过实测数据验证了该模型能准确描述器件在低频AC应力下的退化行为。