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当多晶硅栅MOSFET's的栅长降低到亚100nm，栅氧厚度降低到2nm以下后，过大的栅隧穿漏电、日益严重的B穿透现象以及多晶硅栅耗尽效应将严重限制CMOS器件的进一步发展。将超薄Si3N4/SiO2叠层栅介质技术与W/TiN难熔金属栅技术结合起来是一条有效的解决途径，这项技术很有希望在新一代CMOS器件的主流技术中获得应用。本论文的主要研究成果包括以下内容：
1、在国内首次将Si3N4/SiO2(N/O)叠层栅介质技术与W/TiN难熔金属栅技术结合起来成功地应用于栅长95nmCMOS器件制备，并成功地制备出性能良好的EOT为1.7nm的N/O叠层栅介质；
2、通过研究“纯SiO2+多晶硅栅”、“超薄N/O+多晶硅栅”以及“超薄N/O+W/TiN金属栅”三种电容结构的电学特性来表征N/O叠层栅介质和W/TiN金属栅的质量。对比研究发现N/O叠层栅结构抗B穿透、抗栅隧穿漏电流以及击穿特性等方面都明显优于纯SiO2，其隧穿漏电流比纯SiO2栅介质小2个数量级以上；“超薄N/O集成W/TiN金属栅”结构则完全抑制了B穿透现象和多晶硅栅耗尽效应。
3、分析了“纯SiO2+多晶硅栅”、“超薄N/O+多晶硅栅”以及“超薄N/O+W/TiN金属栅”三种电容结构的应力诱生漏电流特性(SILC)。在此基础上预测了“超薄N/O+多晶硅栅”和“超薄N/O+W/TiN金属栅”结构的寿命。结果发现EOT更薄的W/TiN金属栅结构较多晶硅栅结构有更长的寿命。
4、研发了一种完全与传统的CMOS技术兼容的BPSG回流+旋涂两次光刻胶+速率差回刻的非CMP的平坦化技术，并从实验上证明了此技术可以应用于基于替代栅工艺的W/TiN难熔金属栅CMOS器件的研制；
5、将超薄N/O叠层栅介质与难熔W/TiN金属栅结合起来，制备成功了性能良好的栅长为95nmW/TiN金属栅CMOS器件，EOT1.7nm。在VD=±1.5V，VG=±1.8V情况下，NMOS/PMOS的Ion分别为679μA/μm/-327μA/μm，DIBL分别为为34.76mv/V/54.46mv/V,S分别为为84.46mv/dec/107.4mv/dec，Vth分别为0.26V/-0.27V。这些表明该器件具有高的电流驱动能力以及良好的抗短沟道效应性能。