三维集成是当前集成电路技术发展方向之一,而叠层键合结构是三维集成技术的基本结构,研究其检测和表征技术具有重要科学意义和实用价值。为此,本文在深入研究叠层键合结构电容-电压特性的基础上,提出了一种非破坏性参数提取方法,并通过数值模拟和实验进行了验证。其主要工作包括:第一,建立了MIS结构精确的低频和高频电容-电压模型。在理想结构基本模型基础上,对衬底表面势、反型条件和弱反型区表达式进行了校准,使其解析结果相对数值结果的精确度提高到了99%以上,并在此基础上研究了界面态对MIS结构电容-电压特性的影响。第二,建立了理想叠层键合结构的低频和高频电容-电压模型。基于MIS结构精确电容-电压模型,推导了不同掺杂类型的理想叠层键合结构的低频和高频电容-电压关系表达式,并利用二维半导体器件仿真软件MEDICI进行了数值模拟验证。结果表明解析结果和数值结果吻合良好。进而为了探讨该结构电容-电压特性的物理本质,深入研究了空间电荷层、半导体表面势以及金属层电势随外加电压的变化关系,以及半导体掺杂浓度、绝缘层厚度等结构参数对其电容-电压特性的影响。第三,建立了实际叠层键合结构的低频和高频电容-电压模型。通过考虑金属与半导体功函数差、绝缘层固定电荷、界面态等因素,对叠层键合结构的低频和高频电容-电压关系表达式进行了修正。结果表明实际叠层键合结构的电容-电压模型呈现出高度的复杂性,不同的半导体表面势状态可导致四种不同形态的电容-电压曲线,本文对其机理进行了分析,并利用二维数值模拟进行了验证。第四,提出了一种利用电容-电压法无损提取叠层键合结构参数的方法。基于上述模型我们利用低频和高频的饱和值分别提取绝缘层厚度和半导体掺杂浓度,利用低频曲线的零点和特征点提取绝缘层固定电荷,利用参数识别的方法提取界面态密度。数值模拟表明所得到的提取值与理论值的相对误差基本都在6%以下,证明了提取方法简单且准确。第五,研制了MIS结构和叠层键合结构,并进行了参数提取。利用氧化、淀积等手段,制备了以铜为金属层的MIS结构,进而利用铜铜键合技术,将两片MIS结构背靠背键合,从而得到叠层键合结构。而后对两种结构的样品进行了SEM测试和高频电压-电容特性测试,并利用前述提取方法,成功地提取了样品的相关物理参数,证实了模型和理论的正确性和实用性。本文的工作为评估三维集成叠层键合结构的可靠性提供了一种非破坏性的表征方法,简单方便、成本低廉、且精度高,具有重要的工程价值和实际意义。