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CMOS技术是现代集成电路的主流技术。在过去的将近20年里,MOSFET一直遵循摩尔定律的发展,特征尺寸不断缩小,并且不断逼近其物理极限。CMOS器件在工艺、物理以及设计方面面临诸多挑战。本文首先对CMOS集成电路的发展现状和亚100 nm CMOS器件的结构工艺、物理及量子效应进行了综述和分析。其次,对沟道反型层载流子的量子化效应、栅氧的量子隧穿效应进行了计算和模拟研究。最后,对软击穿后的电流进行了讨论分析。为了精确计算隧穿电流,通过自洽求解一维薛定谔方程和泊松方程,得到NMOS器件的半导体表面电势分布、反型层二维电子气的量子化能级以及对应的载流子浓度分布。采用了多步势垒逼近方法计算栅氧化物势垒层的隧穿几率,从而避免了WKB方法在突变边界处波函数不连续带来的缺陷。通过考虑（100）Si衬底的导带多能谷效应和栅极多晶硅耗尽效应,讨论了不同栅氧化层厚度下隧穿电流与栅压的依赖关系。模拟结果与实验数据吻合。从软击穿后介质层的周期性晶格结构发生的变化考虑,首次提出软击穿对介质层介电常数和载流子有效质量的影响,提出了一种新型的计算超薄氧化层软击穿后的电流模型。通过对软击穿后的栅介质层的介电常数和载流子的有效质量的适当选取,得出了一个简单的薄栅氧化层软击穿后的I-V特性的方法。研究了高k栅介质MOS器件的制备工艺,采用新颖的NO氮化工艺对HfTiO栅介质进行淀积后退火（PDA）处理,通过对器件I-V,C-V特性及软击穿特性进行测量发现,利用其合适的氮化/氧化能力,形成具有类SiO2/Si界面特性的界面层—HfTiSiON,可以使器件的界面特性、栅极漏电特性和器件可靠性得到极大改善。