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近年来,由于科技的飞速发展,集成化程度越来越高。为满足集成电路发展的要求,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的特征尺寸不断减小。同时也带来一些不好的结果,严重影响MOs器件的可靠性。这对工艺技术的发展提出了更高要求,如超浅结技术、应变沟道技术等。同时出现了许多新型的三维结构,如双栅和围栅(CSG, Cylindrical Surrounding-gate)MOSFET等。其中CSG MOSFET的整个沟道被栅包围,使得栅对沟道有良好的控制力,有效抑短沟道效应。CSG MOSFET的短沟道效应提高,使晶体管尺寸得以进一步缩小。以上诸多优势使得CSG MOSFET成为扩展纳米级CMOS缩放比例的电路设计中最有前途的结构之一。本文从CSG MOSFET沟道结构设计出发,主要研究阶梯掺杂沟道(steeped SC, doping channel)CSG MOSFET.和均匀掺杂沟道CSG MOSFET的工作机制、物理模型及性能相比,分析提高MOS器件的击穿特性和抑制热载流子效应的方法。首先,使用三维仿真软件ATLAS模拟仿真SC CSG MOSFET的沟道结构特性：不同高掺杂浓度和高掺杂区域长度。详细分析不同沟道结构下SC CSG MOSFET电势、电场、Ⅰd-Ⅴds和Ⅰd-Ⅴgs等特性。接着分析栅长对SC DG MOSFET和SC CSG MOSFET两种结构的阈值电压下降和漏感应势垒降低等短沟道效应效应。结果表明,SC CSG MOSFET具有能明显减小短沟道效应和热载流子效应的影响等优点。其次,在圆柱坐标系下,建立了SC CSG MOSFET的三维体电势模型。在本文中,此模型同时计入耗尽电荷和自由电荷的影响,可以更加精确的描述开态势场。求解过程中,使用分离变量法和傅里叶逆变换法相结合,得到了SC CSG MOSFET的体电势模型。然后基于三维模型,推导了SC CSG MOSFET的阈值电压的解析模型。最后,比较了CS CSG MOSFET的建模结果和ATLAS模拟仿真结果,分析验证了模型的准确性。通过对不同沟道结构的SC CSG MOSFET电势、电场和短沟道效应进行分析,结果表明,SC CSG MOSFET改善了短沟道效应和热载流子效应,提高了击穿特性。而且SC CSG MOSFET受高掺杂浓度变化的影响比较大,漏感应势垒降低效应先增大后减小；而高掺杂区域长度对它影响比较小,但影响沟道迁移率和载流子的速度。此外通过对SC CSG MOSFET沟道结构优化进行分析,可以提高器件的可靠性。