航空、核工业等事业的不断发展使得对其内部电子仪器精密度、集成度提出了更高的要求。更小特征尺寸的晶体管为芯片带来了更高的计算能力更低的功耗乃至成本的下降。采用纳米级器件构成航空、核工业领域所用芯片十分必要,因而研究器件在核辐射或者宇宙射线等带有高能粒子累积轰击下的退化机理,为辐射加固提供理论支撑。其中器件的材料、工艺、辐照条件等成为引起器件退化的主要因素,本文将重点围绕这几个关键点采用仿真与实验相结合的方式,提出纳米级MOS器件退化机理并加以验证。本文首先使用TCAD Silvaco软件建立MOS器件模型,调整参数使模型与实际器件电学特性相吻合。加入总剂量仿真模型,得到器件受氧化层以及界面处的陷阱电荷共同影响后的器件数据,提取电学参数并验证其退化程度。分析了不同辐照剂量下器件的转移特性曲线以及电势分布,表明辐照总剂量越大器件退化程度越高,而NMOS器件因两种陷阱电荷电性相反致使其退化效果出现“反弹”效应。最后讨论器件的结构参数对总剂量效应影响,NMOS器件沟道越短越容易引起寄生晶体管开启导致关态漏电流增大,器件退化加剧;PMOS器件沟道越短会使其有效沟道长度占比总沟道长度越少,器件退化加剧。总体而言,纳米级器件受总剂量效应引起退化的主要因素在于浅槽隔离区陷阱电荷的影响。总剂量效应实验重点分析了器件尺寸为500nm/30nm的PMOS器件。实验表明:γ射线的持续照射会使器件发生退化,阈值电压负向漂移、亚阈摆幅变化量增大、最大跨导变化量增大。PMOS器件中二氧化硅氧化层与界面陷阱正电荷、浅槽隔离陷阱电荷以及高K介质的采用引入了其氧化层陷阱电荷以及与二氧化硅界面陷阱电荷的共同作用使得器件发生退化。通过修改之前仿真模型,仅添加浅槽隔离陷阱电荷与实际实验对比验证退化的主要因素在于浅槽隔离区陷阱电荷。亚阈摆幅增大表示器件关态漏电随辐照增强而变大,跨导反映载流子迁移率的变化,因而辐照使器件迁移率降低,二者均使MOS器件的放大能力受损。最后验证了1/f噪声与器件电学参数有直接关联,可反映器件内部陷阱特征。最后探讨了多变量下总剂量效应对MOS器件的影响。改变器件的结构参数显示,沟道越短,NMOS、PMOS器件退化均更为严重。改变栅压显示,NMOS器件栅压越大退化程度越高,而较小栅压因“反弹”效应会一定程度上改善关态漏电。而改变器件的实验参数后1/f噪声亦随之发生与电学参数相对应的变化,二者皆为两种陷阱电荷引起器件退化的不同表征形式。1/f噪声可反映器件内部陷阱密度、数量这一特性,可对同一材料、尺寸的器件不进行辐照等破坏性实验,测量其辐照前的1/f噪声,即可通过测试筛选得到抗辐射性能较好的器件批次。最后提出一种通过改变掺杂的方式为器件提升抗辐射性能,进行仿真验证后显示该方法可较好地抵抗总剂量效应。