随着集成电路特征尺寸进入纳米量级，TCAD(Technology Computer Aided Design)设计阶段中的参数提取及优化工作显得更为重要。同时，由于集成电路制程越来越复杂，需要的工艺参数也越来越多，容易导致器件的制造值与设计值之间存在偏差，因而，集成电路虚拟制造技术和可制造性设计技术已成为IC研发和工艺级及器件物理特性级仿真的重要技术手段。课题根据我国集成电路产业的发展现状，结合TCAD一体化设计与优化的技术需求，以集成电路虚拟制造技术和可制造性设计技术为指导，旨在探索纳米层次下的工艺级和器件物理特性级仿真与优化的最佳技术途径。首先，本课题讨论了纳米NMOS器件阈值电压模型，并且分析了影响器件性能的穿通效应和热载流子效应(HCE)；其次，针对纳米器件的各种效应，提出了设计纳米NMOS器件的结构设计方案；接下来，重点通过实验分析，量化研究了器件随沟道变小引起器件性能的变化；沟道注入条件对阈值电压的影响，并对阈值电压进行了优化设计；探讨了提高器件穿通电压的有效措施及抑穿通离子注入条件对各器件特性参数的影响；详细分析了源漏延伸区的浓度和深度对器件特性的影响，反映了源漏延伸区结构对短沟道效应的抑制作用；并且分析了晕环(Halo)注入剂量、能量和注入角度对器件性能的影响；给出了纳米NMOS的工艺制程。最后，本课题在集成电路虚拟制造系统Sentaurus WorkBench下，以调阈值离子注入能量、剂量；抑制穿通的注入剂量、能量为控制因素，阈值电压、亚阈值斜率、漏饱和电流、关态电流和跨导为响应，在对纳米MOS器件进行工艺级和器件级模拟的基础上，采用实验设计、响应表面建模及优化方法，得到满足各工艺参量的最佳取值范围及可制造性设计方案。本课题对纳米MOS器件工艺、器件物理特性和可制造性设计与优化进行了深入探讨，为更小尺寸的SOC一体化仿真与优化研究打下基础。