集成电路技术节点不断进步,器件栅围与金属互连线的寄生电容电阻等寄生效应日益严重,已成为制约高性能数字电路频率与功耗的关键因素。为使EDA工具能够准确仿真出电路的实际性能,PDK（Process Design Kit）库中元器件SPICE模型及中后道寄生模型里的各项参数及其波动性,都需要根据测试结构（Testkey）的晶圆片上（On Wafer）实测数据进行提取与修正。伴随着特征尺寸不断缩小,待测的片上寄生参数的数量级也随之减小,其中待测电容的数量级达到了飞法（f F）级。这将会带来两大类问题:（1）设计有效的Testkey与合理的建模方案;（2）片上微小电容测量的精确性。本文围绕f F级片上微小电容的精确测量与提取方法展开深入研究,主要采用基于电荷的电容测量方法（CBCM）和基于环形振荡器的电容测量方法（RCVM）,对中后道寄生电容与MOSFET器件的电容-电压（C-V）特性进行测量,分别基于22nm FDSOI与28nm HKMG两种CMOS工艺平台完成了Testkey设计、测量电路设计、版图绘制、片上测试以及数据比对分析等。主要完成的研究工作有:1)基于22nm FDSOI工艺,设计了944个后道互连寄生电容以及460个中道栅围寄生电容的Testkey。并设计了无电荷注入效应的CIEF-CBCM电路方法对中后道寄生电容进行测量,经流片与测试,结果表明CIEF-CBCM方法能在22nm FDSOI工艺平台中完成各类Testkey电容值的精确测量,其与传统LCRMeter测试之间的误差小于1%。2)基于28nm HKMG工艺,设计了一种改进型CIEF-CBCM方法,以及一种改进型去除漏电流与寄生电容影响的LPI-CBCM方法对MOSFET器件的C-V特性进行测量,同时在改进型CIEF-CBCM测量电路中引入了阵列化可寻址设计,有效减小了版图面积。经流片与测试,结果表明:两种改进方法均可实现MOSFET C-V特性精准测量;两种方法之间均方根误差RMS≤3%,与LCR-Meter相比RMS≤2%;f F级小电容与其相应的大电容结构归一化后的测量值RMS≤3%。3)基于28nm HKMG工艺,设计了一种新型可寻址RCVM方法对MOSFET的C-V特性进行了测量。经流片与验证,结果表明:所提出的可寻址RCVM电路及测量方法可实现f F级小电容的准确测量,不仅有效减小版图面积,利用多个待测器件共享同一个环振电路的设计,还可有效抑制工艺波动带来的测量误差。综上所述,本文基于22nm FDSOI/28nm HKMG工艺设计的CIEF-CBCM、LPI-CBCM和RCVM方法可对f F级片上结构电容以及MOSFTE C-V特性进行准确测量且测量精度达到了亚f F级,研究内容可为先进工艺制程片上微小电容的精准测量提供有效参考。