在近半个世纪间,半导体技术一直遵循摩尔定律向更小尺寸,更低能耗,更高性能发展。然而,当工艺尺寸进一步缩小至深亚微米级时,互连线带来的能耗、散热、延迟等问题越来越凸显,成为制约摩尔定律进一步延续的瓶颈。为此,人们提出多种技术方案,而三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)便是其中最有潜力的方案之一,其核心技术在于堆叠芯片间的垂直互连,即硅通孔(Through-Silicon-Via,TSV)技术。本文针对几种TSV结构的电模型以及传输特性展开研究,主要内容和创新点如下:第二章提出圆台形TSV的氧化层电容及一对TSV间衬底电容的解析表达式,并研究了圆台形TSV的传输特性。首先,通过求解麦克斯韦方程,提取出圆台形TSV的寄生电容表达式,利用电磁仿真软件CST EMS验证了表达式的精确性。结果表明,两电容表达式最大误差分别为1.86%和3.75%。然后,利用所提的电容公式,建立了一对圆台形TSV的等效电路模型,计算了其S参数、串扰和延迟,发现圆台形TSV比圆柱形TSV串扰更小,但延迟稍长。最后,分析了两种圆台形TSV阵列的串扰。第三章提出一种新的抑制TSV引起的衬底噪声的结构——部分同轴TSV。该结构在金属过孔外包围一层苯并环丁烯(Benzocyclobutene,BCB)材料,并在其一端BCB层之外增加接地金属环,整体可看做同轴TSV的外屏蔽层缩减为一个接地金属环,比同轴TSV更易加工。该结构中BCB层可以有效减少通孔中信号向衬底的泄露,接地金属环能为衬底噪声提供一条低阻抗路径。频域分析结果表明,与传统TSV、有p+层的TSV以及带有p+保护环的TSV结构相比,该结构具有更大的正向传输系数和更小的近端串扰。此外,时域分析发现,该结构的衬底噪声峰值电压与上述有p+层的TSV以及带有p+保护环的TSV相比有明显减小。第四章以多壁碳纳米管束(Multi-walled Carbon Nanotubes Bundle,MWCNTB)为导体材料形成屏蔽型硅通孔结构,建立了其等效电路模型。利用该模型计算了其正向传输系数S21、衰减常数及时间延迟,结果表明,该TSV比以铜为导体的同轴TSV具有更大的传输系数和更小的衰减及延迟。此外,对MWCNTB等效电导率表达式进行简化,并利用该表达式定义了电导率敏感系数,分析得知,MWCNTB的电导率对其表层直径最敏感;探讨了MWCNTB电导率与其填充密度之间的关系,给出了在保证MWCNTB电导率优于铜的前提下,MWCNT的几何尺寸选择准则。最后,系统的分析了量子电容对屏蔽型TSV的传输性能影响。结果表明,中间介质层为BCB时,量子电容的引入能明显提升MWCNTB填充的屏蔽型TSV的高频段传输性能;当介质层为硅时,量子电容的温度效应可以与硅的温度效应相抵消一部分,有利于提高系统的热稳定性。第五章建立了填充MWCNTB的TSV(MWCNTB-TSV)的电模型。该模型综合考虑了MWCNT的导电通道数、TSV电容及衬底电导的温度效应。利用该模型,计算了一对MWCNTB-TSV的正向传输系数、串扰和传播常数。通过分析相移常数,给出了晶圆级、芯片级和转接板级应用中,不同温度下能实现零色散传输的MWCNTB-TSV衬底及节距的选择准则。此外,利用MWCNTB等效电导率紧凑表达式,导出了满足MWCNTB-TSV的衰减小于Cu-TSV的衰减的MWCNT表层直径最小值表达式。