大规模集成电路的集成度,遵循摩尔定律(Moore’s Law)不断提高、器件特征尺寸不断缩小。然而,由于物理尺寸极限及设备技术原因,摩尔定律持续前进的速度却呈现放慢的趋势,特别是当IC制造工艺低于10 nm时,会遇到包括材料、工艺及设备等诸多挑战。为了满足更高性能、更多功能、更小尺寸、更低功耗和成本的要求,在工艺方面,3D芯片集成技术应运而生;在新材料方面,具有优异电、热及机械性能的碳基纳米材料碳纳米管及石墨烯等被提出并认为是最有潜能的一种未来电子器件材料。然而,当碳基纳米材料运用到3D电子时,存在着材料合成、工艺兼容等诸多问题。基于此,本论文提出了一个3D碳基电子系统。并针对此3D碳基电子系统,阐述并解决碳基纳米材料运用到3D电子中所遇到的材料、工艺及集成等问题。首先,在碳基纳米材料合成方面:基于冷壁CVD反应炉,进行了HA-SWCNT、MWCNT及双层石墨烯的合成研究。在使用冷壁CVD合成HA-SWCNT时,发现并行的顶部的加热器对HA-SWCNT的合成至关重要。这是由于顶部的加热器不仅可以对通入的气体预热,同时还能维持一个稳定反应温度区域。对于直立的MWCNT簇,本文对催化剂进行图形设计。发现:中空六边形的催化剂图形可以使MWCNT簇的深宽比达到10。此外,点簇状的催化剂图形生长的MWCNT簇更易于在CNT上电镀铜。对于双层石墨烯,提出了成核位点活性相关的生长机理。通过合理的铜箔生长前的处理及生长时的工艺参数控制,可以快速的合成大面积的双层石墨烯。其次,碳基纳米材料合成后的转移技术被用来解决工艺不匹配。对HA-SWCNT的转移,PET框架的使用可以方便的操作或者传送剥离出的PMMA/HA-SWCNT薄膜。基于胶带辅助的MWCNT簇的转移被提出并实现,特别是首先实现了97%良率的2寸晶圆级转移。对于气泡法的石墨烯转移,PDMS加固的改良办法可以避免强烈气泡造成的破裂。此外,对转移后的HA-SWCNT、MWCNT及双层石墨烯进行了SEM、AFM及Raman相应的检测表征。再者,对于MWCNT在TSV互连的运用,研究了不同聚合物对MWCNT簇与TSV间隙的填充效果。发现自然固化的环氧树脂具有最好的填充性能,切面分析后没有观察到空洞或者裂纹。测试了纯MWCNT簇、覆盖金属层的MWCNT簇及Cu/CNT复合材料填充的TSV的电学性能。研究发现:通过电镀工艺形成的Cu/CNT的复合材料不仅在电阻率上与铜相近,而且还具有与硅相近的热膨胀系数。最后,基于材料合成、生长后转移及MWCNT簇填充的TSV的基础上,提出了Via-last的3D碳基电子集成工艺。在硅通孔之前,制作了石墨烯基的晶体管。MWCNT簇填充TSV之后,沉积金属实现了石墨烯基的晶体管与CNT填充的TSV之间的互连。测试结果表明基于Via-last的3D碳基电子集成的有效性及可行性。