VLSI制造技术已发展到深纳米量级,无论器件还是芯片的性能都进一步得到提高,然而制造流程各环节引入的工艺波动对芯片电学性能的影响日益显著,工艺波动带来的影响已经不可忽略。精准的MOSFET器件模型是联系集成电路设计和制造的桥梁,而将制造工艺引入的工艺波动因素增加入器件模型,建立纳米级MOSFET统计模型,可以在电路设计和仿真时准确有效地预估工艺波动的影响,对提高高端芯片的性能和成品率极其重要。建立MOSFET核心模型是实现统计模型的基础,因此本文首先基于国有40nm低漏电CMOS制造工艺,设计并绘制了完整的器件测试结构,基于流片所得器件的测试数据,通过电学特性曲线、电学参数趋势和温度趋势的仿真,提取了准确描述MOSFET器件直流特性的PSP核心模型。在前述MOSFET核心模型的基础上,本文主要考虑了不同区域器件间的电学特性波动性和相邻器件间的电学特性波动性,分别建立了全局统计模型和失配模型。其中在全局统计模型中,考虑电学差异的成因,在得到的器件核心模型中,加入了9个全局统计参数,建立了符合全局统计规律的模型方程。大量测试数据验证表明提取得到的统计分布期望值μ的误差小于2%,标准差σ值误差小于5%,该全局统计模型误差符合半导体产业界误差要求,所建立的全局统计模型可用于40nm MOSFET器件仿真。而在失配模型研究中,将电学参数的方差方程简化成电学参数方差与几何参量因子间的线性方程,通过添加3个失配模型参数和几何参量因子,并考虑随机工艺波动规律,建立与高斯分布相关的失配模型方程。结果表明,通过本论文失配模型提取得到的器件电学特性参数标准差σ与几何参量因子间的线性方程斜率可以精确相等到小数点后第3位,该精度满足产业界失配模型要求。本论文研究并实现的40nm MOSFET全局统计模型及失配模型可以用于器件和电路的模拟仿真,推动了我国自主创建模型的产业化应用。