随着集成电路产业的迅速发展,对半导体器件的性能和尺寸的要求越来越高。到2021年半导体器件的特征尺寸将缩放到5nm,环栅MOSFET由于其出色的栅极控制能力,被认为是最有希望的候选结构。为了使环栅MOSFET在低特征尺寸下依然保持良好的器件特性,高性能、低功耗的新型环栅MOSFET器件的设计及优化成为了半导体领域的研究热点。本文面向集成电路产业对高性能、低功耗的新型环栅MOSFET的迫切需求,围绕如何在低特征尺寸下提升栅极控制能力和降低功耗等问题,提出了嵌入栅极结构、氮化镓沟道和内嵌绝缘层。本文基于上述结构设计和优化了多种新型环栅MOSFET器件,提升了栅极控制能力,降低了器件的功耗,解决了环栅MOSFET由于特征尺寸缩放面临的诸多技术难题。本文的主要研究成果与创新点如下:第一,针对环栅MOSFET特征尺寸缩放导致器件的栅极控制能力下降、亚阈值特性变差的难题,本文研究了影响MOSFET栅极控制能力的因素,基于嵌入栅极结构设计了嵌入栅极环栅MOSFET,增加了栅极和沟道的接触面积,提升了栅极对沟道的控制能力。仿真结果表明,嵌入栅极环栅MOSFET的亚阈值斜率低至65.5mV/dec,受沟道厚度的变化影响更小,亚阈值斜率下降幅度约为双环栅MOSFET的 1/2。第二,针对环栅MOSFET特征尺寸缩放导致器件的寄生电容增加、开关速度下降的难题,本文基于嵌入栅极结构和氮化镓沟道,设计了嵌入栅极氮化镓环栅MOSFET以及加工方案,降低了器件的寄生电容,提升了开关速度,亚阈值特性受温度变化的影响更小。仿真结果表明,嵌入栅极氮化镓环栅MOSFET的亚阈值特性表现出色,亚阈值斜率低至63.8mV/dec,开关电流比高达3.87×106。与氮化镓纳米线环栅MOSFET和双环栅MOSFET相比,该结构的开关速度和功耗都更加优秀。最后,针对环栅MOSFET特征尺寸缩放导致器件在关断状态下漏电流增加、功耗上升的难题,本文基于嵌入栅极结构和内嵌绝缘层,设计了嵌入栅极内嵌绝缘层环栅MOSFET以及加工方案,减小了关断状态下的泄漏电流,降低了器件的功耗。仿真结果表明,嵌入栅极内嵌绝缘层环栅MOSFET的关态电流低至4.5×10-12A/μm,与双环栅MOSFET相比,降低了约10倍,极大地降低了器件的功耗。