随着5G、人工智能、云计算、物联网等新兴技术的快速发展,CMOS集成电路已步入纳米时代。随着器件特征尺寸地进一步减小,PMOSFET的NBTI(Negative Bias Temperature Instability)可靠性问题变得愈发严重,成为了限制CMOS电路寿命的重要因素之一。因此本文针对纳米PMOSFET的NBTI效应进行了深入地研究。首先,论文对NBTI失效机制以及相关理论模型进行了详细的分析和介绍,并通过仿真研究了NBT应力、氢扩散率及源漏偏压引起的PMOS器件的退化程度。研究发现在长时间NBT应力下,整个反应由反应控制阶段迅速过渡到了扩散控制阶段;更高的氧化层电场强度以及温度应力都会导致反应产生更多的界面陷阱电荷,加剧NBTI退化。同时氢扩散速率越大,界面陷阱电荷产生的速率就越快,NBTI反应过程越剧烈。较低的源漏偏压可以降低NBTI退化,改善NBTI可靠性。其次,通过研究NBTI退化的在线监测方法与预警技术设计了NBTI预警电路。本文提出了一种基于迟滞比较器结构的NBTI预警电路。该预警电路与测试电路采用相同的制造工艺、设计规则、电路结构、版图形式、封装形式以及工作环境,能精准地反映待测电路的应力承受情况和退化的失效机理;还可以提前预报待测电路的失效,用于进一步失效诊断。随后,通过仿真验证、版图设计,交付SMIC流片,对获得的预警电路通过加速寿命试验验证了电路功能的正确性。然后,论文设计了不同栅长和栅宽的NBTI测试结构。还详细设计了NBTI加速寿命试验方案并确立了试验相关参数的设置。实验测试结果表明NBT应力后器件特性曲线以及关键参数发生了不同程度的退化;同时发现PMOS器件工作条件的增强如栅压应力的增大,温度应力的升高都会使PMOS器件的NBTI效应增强,而且随着器件沟道长度的不断减小,器件的阈值电压负向漂移更加严重。最后,根据实验结果,综合考虑温度、栅压、应力时间、器件沟道长度以及沟道宽度因素对PMOSFET寿命的影响,论文提取了NBTI效应激活能以及电场加速因子,并以阈值电压退化量作为评估PMOS器件NBTI寿命的评估标准,建立了0.13μm工艺下仅考虑NBTI效应的寿命评估公式并验证了寿命公式的精确性。论文推算出在-1.2V的栅压应力下PMOS器件的工作寿命为7年左右。温度、电压、应力时间的增加以及栅长、栅宽的减小都会导致PMOSFET NBTI寿命的缩短,在电路、器件设计、制造以及使用中须考虑这些因素减小其对电路、器件的影响,否则集成电路的正常工作寿命将难以保证。