本论文内容主要分为两个部分：(1)新一代半导体器件参数的比例差值谱分析系统(BXT2931B)的研制；(2)90纳米工艺小尺寸器件NBTI在线表征方法的研究。 半导体器件测试设备和半导体参数分析设备是半导体领域开展研究工作的基础设备。本论文在吸取了上一代半导体参数的比例差值谱分析系统(BXT2931A)的开发经验的基础上，专门研制了一套既具有测试功能也具有分析功能的半导体参数的比例差值谱分析系统(BXT2931B)。在测试方面，这套系统可以很好的完成各种半导体器件的测量，专门开发的控制平台允许用户自定义各种复杂的测量流程，此外这套系统提供给用户二次开发的接口模块；在分析方面，它基于拥有自主产权的比例差值技术，专门提取MOS器件的关键参数(例如饱和电流和电压、阈值电压、载流子迁移率等)，并对器件进行性能分析。新一代系统分析部分基于DSP技术，在硬件上实现了比例差值技术，因此它不仅可以作为整个系统的分析组件，同时也可以作为一个单独的仪器使用，扩大了使用范围。新一代半导体参数的比例差值谱分析系统实现了器件测试、数据采集、数据保存以及数据分析的一体化。通过和安捷伦4156B半导体参数测试仪测量的结果比较，新一代半导体参数的比例差值谱分析系统(BXT2931B)在测量精度和测量速度上已经完全可以胜任直流领域测量的要求。该系统已经由中国航天科技集团公司第五研究院第五一四研究所认证。 随着集成电路步入SOC(SystemOnChip)时代，负偏置温度不稳定性(NegativeBiasTemperatureInstability,NBTI)已经成为影响微尺度pMOSFET器件寿命的最重要的因素之一。由于在测量阈值电压VT时会有很强的NBTI恢复效应，使人们很难了解NBTI效应的内在机制，同时由于恢复效应的影响，使得传统的VT退化模型对器件寿命的预测值偏高。本文从两个方面对NBTI的表征方法进行研究，并通过实验证明了可行性。在测量技术上，本文将BXT2931B半导体参数的比例差值谱分析系统的控制原理运用在安捷伦4156B半导体参数测试仪上，使用直接控制硬件的FLEX(FastLanguageforEXecution)命令集开发了一套快速测量系统。这套系统填补了国内实验室或研究所内自动测量程序的空白。通过利用FLEX方式控制测量设备并使用脉冲方式测量输出特性，这套系统真正测量阈值电压VT的时间仅为十几毫秒；在表征方法上，本文灵活运用比例差值算法对输出特性进行处理，避免了因栅压撤去引起的恢复效应对退化表征的影响。结合这两个方面，我们不但第一次从实验的角度发现了如今主流的on-the-fly在线方法在理论推导上的错误假设，而且提出了一种新的NBTI在线的表征方法，克服了上述错误假设造成的分析误差。应用这种在线方法，我们研究了小尺寸器件NBTI的退化和温度、频率、应力的关系，并证明了在小尺寸器件中，化学反应过程和电荷注入过程均影响器件的退化，且退化主要是由于界面态陷阱的产生而造成的。