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目前，工业生产中集成电路的特征尺寸已经减小到90nm，MOSFET的栅氧化层厚度也减小到2nm以下。由于工作电压并没有随器件特征尺寸等比例缩小，氧化层的工作电场不断增加，超薄栅和高场效应使氧化层可靠性问题面临越来越大的挑战，超薄氧化层可靠性的研究已经成为CMOS技术研究中的一个重点和热点课题。
本论文对超薄栅氧化层可靠性领域的重点问题进行了研究，主要包括三个方面的内容：应力诱导漏电流(SILC)的机制和界面态产生的表征；时间相关氧化层击穿(TDDB)的判定及击穿后氧化层的导电规律和机制；负偏压温度不稳定性(NBTI)在不同测量方法下的退化行为及机制。通过对超薄栅氧化层可靠性问题进行的大量实验和理论分析，完成了以下几个方面的创新工作：
发现在高场情况下，超薄栅氧化层的SILC遵从氧化层陷阱辅助隧穿规律，该机制不随应力时间和温度而改变，模拟提取出参与SILC导电的陷阱位于氧化层导带下1．9eV附近，陷阱位置和特性与文献报道的高场应力诱生的氧相关类施主缺陷相符。发现在栅电压(1VglI)较低时，短沟MOSFET的SILC由电子通过界面态的隧穿和栅/源、栅/漏交叠区的直接隧穿电流形成，而电子通过Si/SiO<,2>界面态的隧穿电流与衬底电流(I<,b>)相关，因此提出利用低压衬底电流的变化表征短沟道MOSFET恒压应力下界面态的产生动力学，并根据I<,b>与V<,g>的关系提取了界面态的能量分布。
提出利用衬底电流突变并结合应力后I<,b>-V<,d>特性的变化判定软击穿，可以更准确的得到软击穿时间，对击穿时间及击穿电流变化量作了统计分析，并根据变频光泵效应解释了衬底电流的来源及I<,b>与I<,g>之间的线性关系。在考虑氧化层渗流导电和量子点接触导电的基础上，提出了一个软击穿后栅电流的经验解析公式一类渗流(PLC)公式，根据软击穿后I<,b>与I<,g>之间的线性关系，利用PLC公式可以在较大电压范围和较广泛的条件下模拟软击穿后的I<,g>-V<,ox>和I<,b>-V<,ox>特性。提出了一种可能的软击穿导电机制一类FN隧穿，认为软击穿时氧化层中形成了连接两极的缺陷带，载流子通过直接隧穿到达缺陷带上，然后在缺陷带内运动到达栅导带，软击穿后的栅电流一电场规律符合FN公式但势垒高度降低，这是由缺陷带能级和电子所处的量子能级位置决定的。
研究了NBTI常规测量中界面态和氧化层电荷的作用，认为对阈值电压退化起作用的是氧化层电荷和禁带下部未被电子占据的界面态。应力后界面态的恢复比例随温度升高而增加，这一性质与应力温度无关，认为Si-H键断裂的H粒子在扩散过程中被氧化层陷阱(如氧原子、氧空位和氮原子、氮空位)俘获，高温下，H粒子被激活并扩散到界面钝化了界面态。利用On-the-fly在线测量技术对NBTI进行了研究，首次建立了一种基于缺陷产生的在线测量NBTI模型，发现在线测量时阈值电压退化主要由氧化层电荷决定，退化初期主要由原生陷阱填充和CPC产生决定，而应力时间较长时则由ANPC的产生决定，ANPC不但随应力后的恢复时间而丢失，而且随测量温度的升高而减小，还可以在高温环境中被退火，根据ANPC的这些特性可以解释NBTI在线测量中出现的一些新现象。