CMOS器件尺寸越来越小，栅介质厚度持续减小，负偏压温度不稳定性（NBTI）成为制约器件可靠性及寿命的最主要因素之一。然而，NBTI机理一直处于争论之中。其原因一方面源于对于NBTI现象的解释各不一致，另一方面主要受限于NBTI表征方法的不足，不能得到NBTI退化的全部信息。因此，不能正确地建立NBTI机理。本论文主要系统地对比和分析了纳米CMOS器件表征方法，并发展了新的表征方法，并将这些表征方法应用于NBTI研究。在阈值电压(V_TH)表征方面，论文详细分析了直流（慢的）I_d-V_g测量阈值电压漂移(△V_TH)存在恢复的原因，并针对Kerber等人的脉冲测量方法的不足，建立了快速脉冲I_d-V_g测量（FPM），其测量时间t_M达1μs，极大抑制了测量过程中的恢复效应。实验发现测量时间t_M越小，△V_TH越大，其结果表明NBTI测量过程中发展快速测量的重要性。在界面陷阱(N_IT)表征方面，论文阐述了传统电荷泵（CCP）和直流电流电压（DCIV）方法原理、测量设置，还给出了快速DCIV测量。不同测量点数的CCP和DCIV方法测量得到的界面陷阱的产生(△N_IT)是不一样的，该实验结果表明CCP和DCIV方法本身亦存在恢复效应。为了避免测量过程中的△N_IT的恢复，我们发展了一种新颖的实时界面陷阱（OFIT）测量方法。论文就OFIT测量原理、仪器设置和电路实现给出了细致的分析，并运用OFIT方法对应力引起的△N_IT进行了表征。我们得到的主要结果有：（1）OFIT方法测量得到的△N_IT比CCP方法得到的大的多。当温度小于100℃时，△N_IT的时间幂指数n呈线性增加；当温度大于100℃时，n趋于饱和值0．18。OFIT实验结果表明△N_IT服从色散的H₂分子扩散的R-D模型，这与CCP方法得到的Arrhenius关系不同。（2）在测量误差范围内，实验结果显示时间幂指数n与电场强度、栅介质厚度无关。（3）论文将CCP、DCIV和OFIT测量方法进行了对比，结果显示CCP方法由于存在严重恢复效应，相同NBTI应力条件下测得的△N_IT最小，DCIV方法测得的△N_IT次之，OFIT方法测得的△N_IT最大。温度100℃时，三种方法得到的△N_IT的时间幂指数n分别为0．31、0．28和0．18，n值越小表示恢复效应越小。（4）OFIT和慢的I_d-V_g测量结果对比表明后者不仅存在氧化层电荷俘获△N_OX的恢复而且存在界面陷阱的产生△N_IT的恢复。论文还采用OFIT和FPM测量方法研究了等离子体氮化（PNO）和热氮化栅介质（TNO）pMOSFETs的NBTI特性，得到的实验结果主要有：（1）TNO和PNO器件具有相同的△N_IT的时间幂指数n，即当温度小于100℃时，n随温度线性增加；当温度大于100℃，n达到饱和值0．18。界面陷阱产生的机理与氮浓度在TNO和PNO器件的栅介质中的不同分布无关，激活能E_A=0．17eV。（2）对于TNO器件，采用OFIT测量得到的界面陷阱的产生和用FPM测量得到的阈值电压漂移的恢复均比PNO器件约大10％。（3）结合OFIT和FPM测量方法，可以区分界面陷阱产生和氧化层电荷俘获引起的阈值电压漂移△V_TH^IT和△V_TH^OX。对于PNO器件，NBTI退化主要来自界面陷阱的产生；对于TNO器件而言，氧化层电荷俘获对NBTI退化起主要作用。（4）我们也对比了TNO和PNO器件的快速瞬态阈值电压漂移与应力电压的关系，其结果显示TNO器件由于较大△V_TH^OX和△V_TH^IT，其总的NBTI退化要比PNO器件大的多。对于TNO器件而言，当栅压在2V或靠近工作电压时，EOT=3．5nm，1000秒后△V_TH仍有30mV左右的退化，而对于PNO器件而言，△V_TH在10mV以内。此外，第一性原理计算表明：对TNO器件而言，以氮为空穴俘获中心较之以氧为空穴俘获中心更容易在Si／SiON界面处俘获空穴而形成较大的电矩。这些结论对工艺的改进和器件性能的提高将起到指导作用。