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Si CMOS技术以其低能耗、高集成度、高效率、高可靠性以及优良的噪声性能在集成电路中占据统治地位。对于深亚微米尺寸的器件,为了提高载流子迁移率,需要采用新的材料代替Si材料做为导电沟道,但是新材料也不可避免的带来很多新的缺点和需要解决的问题,所以用成熟的Si材料作为超大规模集成电路的材料还是现阶段集成电路的第一选择。Si基应变技术不仅提高了Si基材料器件的性能,更重要的是延长了价格高昂的工艺设备的使用年限,最大限度的节约了成本。所以Si基应变技术成为深亚微米Si CMOS电路继续向高速、高性能发展的关键技术。本文从理论和实验两个方面开展了研究工作,主要内容分为三部分:Si基应变MOSFET器件的物理模型和电学特性研究;Si基应变MOSFET器件的制备;以及高k栅介质应变MOS器件的制备以及包括界面特性,电学特性的研究和分析。具体的主要研究工作和成果如下:1.通过求解泊松方程建立了应变Si NMOSFET和PMOSFET以及SSOI （Strained-Si on Insulator） NMOSFET的阈值电压模型和亚阈电流模型,并用二维器件仿真工具ISE对所建立的模型进行验证和分析,为应变Si NMOSFET和PMOSFET以及SSOI NMOSFET的物理参数设计提供了理论依据。2.通过求解泊松方程建立应变Si/应变SiGe/SiGe双沟道PMOSFET的表面沟道和埋层沟道的阈值电压模型,以及保证埋层沟道先于表面沟道开启的条件。所建模型通过了ISE仿真工具的验证。并分析了各个物理结构参数对阈值电压的影响。为应变Si/应变SiGe/SiGe双沟道PMOSFET的物理参数设计提供了重要参考。此模型还可以用于应变SiGe量子阱PMOSFET的结构设计。3.基于前面章节所建模型和讨论分析,对应变Si NMOSFET和应变SiGe量子阱PMOSFET进行了包括结构物理参数,版图,以及工艺的设计,并最终完成了应变Si NMOSFET和应变SiGe量子阱PMOSFET的制备和测试。测试结果显示,与普通Si MOSFET相比,应变Si NMOSFET的跨导提高了两倍,而应变SiGe量子阱PMOSFET的跨导提高了一倍。4.分析了不同退火温度和电应力对HfO2栅介质应变Si和应变SiGe MOS器件的特性的影响。实验结果表明,高温退火会降低HfO2应变Si和HfO2应变SiGe MOS器件栅介质常数,并且随着退火温度的增加,其介电常数会不断减小,而栅漏电流减小,同时氧化层电荷和陷阱大大减小。对比了同样栅氧层厚度的HfO2应变Si、HfO2应变SiGe以及HfO2 Si MOS器件的栅漏电流,受界面态密度和氧化层势垒高度影响,HfO2应变SiGe MOS器件中的栅漏电流最大,HfO2应变Si MOS器件中的栅漏电流最小。还分析了电应力对HfO2应变Si和HfO2应变SiGe MOS器件I-V特性的影响,发现负压应力对器件的I-V特性影响不大,而正压应力会使得HfO2应变Si和HfO2应变SiGe MOS器件的栅漏电流减小。