随着集成电路(Intergrated Circuits,ICs)应用多元化发展,半导体行业也面临着新的要求和挑战。业界希望通过寻找新材料和新的集成方法,来提高集成电路性能和更大的集成密度,而不单纯地依赖于存储器单元的物理缩放,来维持摩尔定律的发展趋势。增加集成、性能和异构性的一个重要方法是三维(Three-dimensional,3D)集成,其电路性能、体积、重量等方面都远远的优于二维平面集成电路,是未来集成电路进一步发展的重要趋势,以及实现片上系统的方案,也是能够使摩尔定律持续有效的新技术。作为3D IC中的关键技术之一,硅通孔(Through-Silicon-Via,TSV)技术实现了多层芯片垂直堆叠,具有尺寸小、能耗少、成本低、实现同构/异构芯片集成等优点,对3D IC的整体性能有着重要影响。因此,为了有效地形成大规模3D IC系统,TSV相关的理论研究与制造工艺研究都是必不可少的。此外,由于玻璃转接板在损耗、可视性等方面的优势,玻璃通孔(through glass via,TGV)技术实现为三维集成封装提供了更广阔的思路。近几年来,三维集成产品的工作频率越来越高,高密度TSV耦合产生的信号完整性问题也日益突出。另一方面,随着人们对移动通讯产品需求提高,在微波通信领域无源滤波器应用广泛,易于集成和小型化的三维无源滤波器引起人们的关注,也成为研究热点之一。本文针对硅通孔的微波耦合特性和三维无源微波滤波器进行了研究,主要的研究成果如下:1.建立高密度TSV阵列等效电路模型,提出尺寸优化的六边形TSV屏蔽簇结构,减小了串扰引入的损耗。本文通过提出等效回路矩阵方法,提取TSV阵列的电阻-电感-电容-电导参数,建立了多地环绕TSV屏蔽簇的π型等效电路模型,分析了接地TSV分布结构对耦合导纳参数和传输损耗的影响。进而建立六边形TSV屏蔽簇结构,并通过耦合测试结果证明了该结构能够有效减小相邻屏蔽簇间的串扰。相较于常用的四边形TSV屏蔽模块,六边形TSV屏蔽模块可以有效节约片上面积,减小三维微系统互连的片上尺寸。2.基于四端口网络和奇偶模分析方法建立差分TSV模型,研究了差分TSV的电磁特性。本文基于四端口网络提取了G-S-S-G型TSV阵列的阻抗和传输常数,采用奇偶模分析方法提取了差分传输TSV阵列的电磁特性参数。基于上述结果进一步建立了介质腔TSV阵列的等效电路模型,分析比较不同材料和结构TSV的差分损耗。本文对差分TSV与多个接地TSV的高密度TSV阵列的研究可以减小3D ICs中互连噪声和电磁干扰,有助于保证信号完整性。3.提出了新型紧凑3D TSV螺旋电感器结构,研究了其电感值和品质因子特性。本文首先通过提出的3D互连结构的修正因子优化电感解析式,构建了3D TSV电感器的可配置解析模型,分析不同物理尺寸对电感值的影响。其次基于仿真研究,在低频时紧凑3D TSV电感器比传统3D TSV电感器的片上电感密度增大一倍,同时品质因子更大。本文基于TSV技术的3D紧凑螺旋电感器的研究有利于无源器件的设计,提高3D系统异质结构集成度。4.基于新型紧凑3D螺旋电感器和3D叉指电容器结构,研究了可集成玻璃衬底的LC 3D TGV低通滤波器。本文设计的3D无源低通滤波器的低通损耗小,阻带抑制效果良好,最小有效面积为1.19×0.78 mm~2,相对截止波长大小为0.020×0.013λg~2。与其他几种工艺和结构的低通滤波器相比,本文提出的玻璃基板3D LC滤波器尺寸更小,更有利于微系统集成小型化。5.基于玻璃基底类集成波导结构,设计了V-band和W-band关键毫米波频率的带通滤波器。考虑到当前TGV的典型尺寸,本文分别采用单层和双层金属栅栏类集成波导结构,在较高频率V-band和W-band波段中制备出玻璃基板滤波器,并探究其滤波响应特性。本文对3D TGV类集成波导带通滤波器的研究,有助于异质芯片集成,减小芯片间的滤波损耗。