随着半导体产业的发展,传统集成电路面临着严峻的挑战:芯片尺寸不断缩小,CMOS晶体管和互连线的尺寸即将趋近物理极限;互连线的延迟、串扰和功耗等问题随着工作频率的升高而愈加严重。为了解决这些问题,基于硅通孔的三维集成技术应运而生。虽然硅通孔能够显著提高芯片的集成度,提升信号的传输速率,减小系统功耗,但同时也面临着一些问题,例如信号、电源完整性问题,以及自热引起的可靠性问题。为了提高硅通孔的性能,工业界和学术界从衬底、绝缘层和填充部分三个方面着手改进传统互连技术。因此,如何设计新型互连结构和电源分配网络,保证它们的性能,是我们关注的重点。本论文主要研究工作和创新点可归纳为:(1)考虑到MOS效应、趋肤效应和温度效应,建立了硅通孔阵列的等效电路模型。通过与商业软件HFSS对比,证明该模型在100 GHz频率范围内适用于多根地线均匀分布的的硅通孔阵列。在此基础上,深入研究了物理尺寸和材料参数对硅通孔电学性能的影响。(2)采用自主开发的时域有限元算法同时求解电-热-力多物理场方程组,获得硅通孔阵列和链路结构在直流电压作用下的温度和热应力分布,以及外来电磁脉冲作用下的瞬态热-力响应,由此分析了它们的可靠性,并恰当地处理了材料参数的温变效应。进一步地,将该算法集成到合作单位—北京应用物理与计算数学研究所自主研发的大规模并行框架JAUMIN中,用于研究大规模硅通孔互连阵列的多物理场耦合特性。(3)改进了硅通孔阵列的等效电路模型,将其用于对比分析玻璃通孔、聚合物绝缘层硅通孔与传统硅通孔在100 GHz频率范围内电学特性的差异,并且考虑了聚合物绝缘层厚度变化的影响。(4)利用自研的多物理场耦合算法,研究了在外来直流电压和周期性电磁脉冲作用下玻璃通孔、聚合物绝缘层硅通孔以及聚合物填充硅通孔阵列和链路中的电-热-力响应,并对它们进行了可靠性分析;深入研究了物理参数(如聚合物绝缘层厚度、填充聚合物的直径、水平互连的宽度等)改变对这些新型互连可靠性的影响。(5)建立了碳纳米管硅通孔的等效电路模型,考虑了硅通孔两端与金属连接的接触电阻;详细研究了碳纳米管硅通孔的等效复电导率和电学特性,考虑了碳纳米管的动态电感、直径、非理想填充率以及环境温度的影响。进一步地,将提出的碳纳米管硅通孔阵列电路模型与片上电源分配网络相结合,搭建出多层堆叠的电源分配网络系统。在此基础上,系统地比较分析了碳纳米管物理参数、堆叠层数和硅通孔数量变化时电源分配网络系统的阻抗特性。