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随着CMOS器件特征尺寸的不断缩小，传统的CMOS器件对新材料、新工艺和新结构等诸多技术提出了新的要求，尤其是进入45nm技术节点后，高k/金属栅结构的引入在提升器件性能的同时，对器件的可靠性带来了愈来愈严重的问题，其中器件的偏压温度不稳定性问题尤为突出。本论文主要针对全后栅工艺高k/金属栅结构CMOS器件的偏压温度不稳定性进行了较为系统深入地研究。 一、高k/金属栅结构NMOS器件的正偏压温度不稳定性的研究: 1.高k/金属栅结构NMOS器件正偏压温度不稳定性退化机制的研究: 通过对高k/金属栅结构NMOS器件正偏压温度不稳定性退化过程中器件亚阈值区特性的研究，发现亚阈值斜率在应力过程中没有显著变化，由此得知导致正偏压温度不稳定性退化的主要原因是高k体缺陷俘获电荷造成。根据应力-恢复-应力循环测试可知，这些缺陷不是在正偏压应力作用下产生的，而是在器件制造过程中由制造工艺所引入。同时NMOS器件的正偏压温度不稳定性的温度依赖特性证实了正偏压温度不稳定性退化是一个热激活过程，提取得到其激活能为0.10eV，再次表明正偏压温度不稳定性退化是高k体缺陷俘获从衬底直接隧穿进入高k体中的电子引起的。 2.高k/金属栅结构NMOS器件正偏压温度不稳定性退化恢复现象的研究: 通过对NMOS器件正偏压温度不稳定性退化的恢复现象的研究发现，在应力结束后，紧接着施加一个较小的正偏压应力，可以使得正偏压温度不稳定性退化得到部分恢复;当施加一个适当的负栅极电压，经过足够长的应力时间，可以使得正偏压温度不稳定性退化得到完全的恢复。根据这一现象，本论文提出了一种基于器件正偏压温度不稳定性退化的恢复现象提取高k体缺陷能级密度分布的方法，并提取出了器件高k栅介质体缺陷能级密度分布。结合X射线光电子谱分析技术，发现导致正偏压温度不稳定性退化存在于高k体中的缺陷的能级位于硅导带附近，且在距离硅导带以上0.01eV处存在一个最大值，同时推断这些缺陷是由氧空位类型的缺陷形成。通过对NMOS器件正偏压温度不稳定性退化的恢复过程进行数学拟合，发现其与时间的对数呈线性关系。 3.高k/金属栅结构NMOS器件正偏压温度不稳定性退化的电压依赖关系的研究: 通过对NMOS器件正偏压温度不稳定性退化的电压依赖关系的研究，得到正偏压温度不稳定性的退化与应力电压呈幂指数关系，即ΔVth=A*Vgstr4.8。 4.高k/金属栅结构NMOS器件正偏压温度不稳定性退化的工艺依赖关系的研究: 通过对高k与衬底之间的界面层的生长工艺和高k栅介质厚度两个方面的研究，发现通过增加高k与衬底之间的界面层厚度，以及减薄高k栅介质层厚度，可以显著改善器件的正偏压温度不稳定性特性。 二、高k/金属栅结构PMOS器件的负偏压温度不稳定性的研究: 1.高k/金属栅结构PMOS器件负偏压温度不稳定性退化机制的研究: 通过对PMOS器件负偏压温度不稳定性退化过程中器件亚阈值区特性的研究，发现亚阈值斜率随时间逐渐增大，同时发现界面态产生引起的退化约占总的PBTI退化的20％，不再是造成负偏压温度不稳定性退化的主要原因;高k体缺陷俘获电荷造成的退化约占80％，已经成为负偏压温度不稳定性退化的主要原因。由此可知，负偏压温度不稳定性退化是由界面态的产生和高k体缺陷俘获电荷共同造成，且高k体缺陷俘获电荷引起的退化为主要原因。通过对不同温度条件下的正偏压温度不稳定性退化特性的研究，证实负偏压温度不稳定性退化是一个热激活过程，并提取得到其激活能为0.19eV;与界面态为PBTI主要的退化原因的Poly Si/SiO2结构对比，其数值明显减小，间接证明负偏压温度不稳定性退化是由界面态的产生和高k体缺陷俘获电荷共同造成。 2.高k/金属栅结构PMOS器件负偏压温度不稳定性退化的电压依赖关系的研究: 通过对负偏压温度不稳定性电压依赖关系的研究，得到负偏压温度不稳定性特性与应力电压呈指数关系，即ΔVth=A*exp(-7/Vgstr)。负偏压温度不稳定性退化遵循的时间幂指数曲线的指数随应力电压增大而减小，从0.26变化到0.16，且随着应力电压的增大，高k体缺陷俘获隧穿电荷的作用在增强。 3.高k/金属栅结构PMOS器件负偏压温度不稳定性退化的工艺依赖关系的研究: 通过对高k与衬底之间的界面层的生长工艺的研究，发现高k与衬底之间的界面层愈厚，负偏压温度不稳定性特性愈好。