本文基于Si基应变材料在三维CMOS中的应用,首先研究分析了Si基应变材料的晶格结构,形成压应变与张应变的机理,应变Si／应变SiGe材料的基本物理特性,尤其是应变导致的载流子迁移率增强及机理。研究分析了应变对Si和SiGe能带的影响,给出了应变Si和应变SiGe的禁带宽度模型,并提出一种利用pn结电容-电压曲线测量应变SiGe禁带宽度的新方法。采用数值拟合的方法,得到了适于Medici仿真的应变Si与应变SiGe材料的低场电子和空穴的迁移率模型,为Si基应变三维CMOS器件与电路的设计与优化提供了理论基础。研究分析了硅片直接键合与智能剥离技术,提出并采用低温／高真空硅片直接键合,同时结合智能剥离技术实现SOI结构,并在550℃、2.1×10-2Pa的条件下制备出这种SOI结构。该SOI结构的顶层单晶硅膜的表面粗糙度小于8.5nm,缺陷密度低于90cm-2,键合强度达到153.7Kgf/cm2,该方法可为Si基应变三维CMOS集成电路的后续有源层提供高质量的单晶硅材料,同时,该方法的低温／高真空退火过程可避免传统的高温退火过程对三维集成电路的有源层材料及器件结构、性能的影响,有效地提高界面的键合质量与键合强度。在低温／高真空硅片直接键合与智能剥离实现SOI结构基础上,提出了一种基于该结构的应变Si／应变SiGe三维CMOS器件结构,并对其电学特性进行了研究与仿真分析。结果显示,与体硅CMOS器件相比,由于采用应变Si与应变SiGe材料,该CMOS结构器件的载流子迁移率高,电流驱动能力强,跨导高。同时,由于采用SOI结构,器件的寄生电容小,且易于实现全介质隔离,集成度高,在高速和低压、低功耗电路中可以有广阔的应用前景。本文还提出并研究了另一种垂直层叠共栅应变Si／应变SiGe量子阱CMOS器件结构。该CMOS结构中分别用张应变的Si与压应变的SiGe作为NMOS与PMOS的量子阱导电沟道,载流子迁移率高。同时,提出并采用以p+多晶SiGe作为栅电极材料,利用p+多晶SiGe功函数随Ge组分连续变化的特点,实现NMOS与PMOS闽值电压的同时调整与匹配。论文对该CMOS器件从能带结构、载流子面密度、直流特性、交流特性等方面进行了研究分析与仿真,验证了其可行性。深入探讨了主要层结构参数与材料物理参数对NMOS和PMOS性能的影响,给出了优化后的器件结构参数与电学特性参数,如δ掺杂层、阈值电压、跨导和特征频率等。最后,以CMOS反相器作为对该结构的一个应用,仿真了其传输特性,仿真结果表明,该结构逻辑关系正确,性能优越。该CMOS结构器件具有设计灵活,集成度高,工艺技术与常规Si技术兼容,高频／高速的优势。