半导体器件的特征尺寸不断缩小，使得集成电路向高性能、低功耗、高集成度、多功能的方向不断发展。在纳米尺度器件中，除短沟道效应以外，器件高阶效应如栅介质层陷阱、寄生电容，对器件和电路性能的影响越来越严重。栅介质层陷阱会导致器件工作电流降低、动态涨落增大、栅介质击穿等现象;寄生电容增加会引入额外的电路延迟。在纳米尺度器件中，较小的沟道面积、新型栅介质材料和新型器件结构，使介质层陷阱对器件的影响呈现出新特征，传统介质层陷阱表征方法在纳米尺度器件中不再适用。因此，针对小尺寸器件中陷阱行为特点来设计表征方法，是小尺寸器件可靠性研究的热点。同时，对于器件结构发展中最具潜力的围栅纳米线器件，寄生电容表征建模、评估寄生电容对电路性能的影响，已经成为器件设计和表征研究中的关键问题。　　本论文正是针对上述问题进行了研究，论文围绕着新工艺器件介质层陷阱密度表征、小尺寸器件单陷阱行为表征、小尺寸器件NBTI退化表征、以及纳米线器件介质层陷阱和寄生电容表征建模这几个方面展开。　　在先进技术节点上，栅堆叠工艺(HKMG工艺)会引入复杂分布的介质层陷阱。准确表征多层栅介质以及介质层之间接触区域的陷阱密度，是控制栅堆叠工艺质量和提高器件可靠性的关键。本论文采用可调节充电、放电电荷泵测试方法，对28nm技术节点HKMG器件的多层栅介质陷阱密度进行表征，为新型工艺提出优化建议，有效地降低了介质层陷阱密度。另一方面，在新型介质材料器件的电荷泵测试表征研究中，如何去除栅漏电的影响，是重要的研究难点。本论文通过对电荷泵测试中瞬态栅漏电的分析，揭示频率相减电荷泵测试中栅漏电频率依赖性的来源，据此提出新型去除栅漏电的电荷泵测试方法，给出新型介质材料器件中表征介质层陷阱密度这一难题的解决方案。　　同时，小尺寸器件中单个介质层陷阱对器件的可靠性和涨落特性的影响十分严重。器件漏电流中随机电报噪声RTN现象为研究单个陷阱行为提供了独特机会。在实际数字电路中，器件以及介质层陷阱的电压环境是全摆幅AC大信号。所以有必要在AC工作条件下研究RTN特性和陷阱频率响应行为。论文首次提出单波形和全摆幅ACRTN表征测试方法，揭示了在高频条件下陷阱俘获、发射载流子分别由AC信号中高、低电压调控;俘获和发射各自独立，且分别服从马尔可夫过程;陷阱瞬态占据几率在高频下可达到动态平衡。ACRTN结果表明，RTN时间常数在AC条件下大幅缩减;陷阱活跃度因AC信号激励而增高;陷阱占据几率明显区别于DC情况。论文进一步模拟研究RTN对数字电路的实际影响，揭示了在预测RTN电路影响相关研究中，需采用全摆幅ACRTN表征方法及对AC环境下陷阱行为的理解，否则将带来预测误差。论文对RTN和单个介质层陷阱行为的研究，为电路抗RTN涨落设计提供了指导。　　小尺寸器件中介质层陷阱总数目减少，陷阱个数呈离散性。因此，传统NBTI测试无法表征小尺寸器件NBTI退化的随机离散特性。对此，本论文给出陷阱响应统计NBTI表征测试方法，提出基于有效陷阱占据几率和有效陷阱个数的小尺寸器件NBTI退化模型。论文通过对单陷阱占据几率频率响应的讨论，研究ACNBTI退化的频率依赖性。结合两种ACNBTI陷阱响应统计方法，揭示了陷阱频率响应对ACNBTI退化的调制作用。论文对ACNBTI退化测试方法及陷阱行为机制的研究，为小尺寸器件退化表征和寿命预测提供了指导。　　论文也探讨了栅介质层陷阱对围栅纳米线器件的影响:因纳米线器件特殊的三维围栅结构，单陷阱引入的RTN幅度偏大;多个陷阱引入的多态RTN现象常见;量子限域对陷阱行为调制作用更强。除此之外，论文详细研究纳米线器件独特器件结构中寄生电容对器件/电路性能的影响。通过保角变换等电场计算方法，提出无拟合参数、解析、适用于实际三维纳米线器件结构的寄生电容模型。模拟表明，因纳米线器件独特器件结构，寄生电容比例更大，在纳米线器件设计中应着重考虑结构参数与寄生电容的关系。研究工作为优化纳米线器件设计和提升纳米线器件电路性能提供了指导。