随着MOS器件尺度不断减小,栅极漏电流成为微电子技术进一步发展的主要制约因素之一。采用介电常数较大的高k介质来替代SiO2介质,可在与SiO2有相同等效氧化层厚度(EOT)的情况下,增加介质的实际物理厚度。高k介质虽然可以在一定程度上解决泄漏电流与静态功耗增大的问题,但其高密度缺陷会影响器件性能。例如缺陷的电荷俘获和散射导致噪声增大和迁移率下降。MOS器件栅介质缺陷的电荷俘获与噪声存在相关性,噪声研究一方面有助于掌握噪声产生机理,以便于降低噪声;另一方面噪声可用作缺陷诊断和检测的工具。因此,近年针对高k介质缺陷和噪声做了大量研究工作。但是,这些工作无论是方法还是模型基本上都是传统SiO2器件成果的直接移植。实际上,高k介质与SiO2介质MOS器件在栅介质结构和缺陷特性上均存在明显差异,其中缺陷电荷俘获动力学和噪声产生机理也不会完全相同。本文从不同隧穿机制特点和产生条件出发,结合高k介质缺陷能量和空间分布特性以及栅栈特殊结构,论证了高k介质MOS器件中除了存在传统SiO2介质器件中也有的直接隧穿噪声产生机制之外,还有共振隧穿机制。在论证中应用非平衡格林函数法针对高k介质缺陷建立的双势垒结构模型计算隧穿系数,并与噪声功率谱密度实验数据对比分析,证明高k介质MOS器件中存在共振隧穿噪声分量。它们对噪声的贡献在特定情况下会超过直接隧穿,因此在高k介质MOS器件噪声分析中必须考虑不同隧穿机制产生的噪声分量。鉴于高k介质MOS器件中多种噪声分量并存并且隧穿机制是噪声与介质缺陷电荷俘获相联系的基础,本文提出按照不同隧穿机制研究噪声与缺陷电荷俘获之间相关性的新方法,分别研究了直接隧穿和共振隧穿缺陷电荷俘获与噪声相关性。研究中建立了不同隧穿机制缺陷俘获与噪声的相关性模型,并从理论和实验两方面予以验证。本文工作不仅揭示了高k介质MOS器件存在多种噪声产生机制,而且所研究的基于多种隧穿机制的噪声与缺陷相关性为高k介质缺陷表征和信息提取奠定基础。