随着半导体器件特征尺寸不断接近材料物理极限,漏电流现象和热问题愈加突出,且随着互连线尺寸不断缩小,传统铜互连的延迟、噪声和功耗问题愈加严重,因而需要发展三维集成技术来延续甚至超越摩尔定律。作为三维集成电路的核心技术,硅通孔可实现信号在堆叠层器件间的电学连接,从而缩短互连长度,减小延迟和功耗,缩小芯片占用面积,实现高度集成及异质芯片集成。本论文针对硅通孔开展电路建模研究,发展准确、快速的电学参数提取技术,研究硅通孔信号传输性能及优化方法,相关工作可分为三部分:在第一部分中,研究碳纳米管作为硅通孔填充导体材料对电学性能的影响,给出碳纳米管填充硅通孔的等效电路模型,结合等效复电导率概念分析信号传输性能。考虑碳纳米管中动电感变化所带来的负面影响,证明将传统铜材料与碳纳米管混合构造新型导体材料,用于填充硅通孔以抑制碳纳米管动电感变化对高频性能稳定性的影响。第二部分致力于发展重布线层中水平互连线及差分硅通孔的宽带建模方法,给出能够在直流至100 GHz频率范围内适用的等效电路模型,并发展相应的参数提取技术。基于提出的等效电路模型,研究了设计参数及温度变化对电学性能的影响,相关成果对硅通孔的优化设计有所帮助。第三部分研究了浮硅基底中硅通孔的寄生电容建模方法,给出了典型三根硅通孔阵列的等效电路模型,结合非线性电容效应分析瞬态电压响应。同时还研究了内部为浮硅基底的同轴硅通孔,分析设计参数对非线性电容的影响。研究表明,浮硅基底下的硅通孔同样可通过在工艺中引入氧化层固定电荷,使硅通孔寄生电容在一定工作电压范围内稳定,从而简化建模和仿真过程。总之,本论文针对三维集成电路中硅通孔进行了一些探索,开展了电路建模和电学特性等方面的研究,得到了一些有益的结果。