三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)就是将多个芯片或电路模块在垂直方向堆叠起来,并利用硅通孔[(Through-Silicon Via, TSV)实现不同层的器件之间的电学连接,共同完成一个或多个功能。它具有减小互连线长度、减小芯片面积、提高互连线密度、实现异质集成等优点。TSV是实现3D IC的关键组件,它的电磁特性对3D IC的总体性能具有决定性作用。本文深入研究了新型TSV的电磁特性,主要的研究成果如下：1.提出了圆锥形硅通孔(Tapered-Through-Silicon Via, T-TSV)的氧化层电容和硅衬底电容的精确计算公式。T-TSV属于非均匀三维结构,所以其电场也非均匀分布。为了得到精确的电容计算公式,在T-TSV局部电场结构分析结果的基础之上,本文采用了保角变换法和微积分法。将提出的计算公式和三维准静态电磁场寄生参数提取软件Q3D得到的结果加以比较,结果表明氧化层电容和硅衬底电容的最大相对误差分别只有1%和3%。当T-TSV的倾角等于零时,提出的电容计算公式退化为圆柱形TSV的电容计算公式。2.建立了T-TSV的等效电路模型。鉴于T-TSV尺寸在长度方向上的渐变特性,将T-TSV在长度方向上等分,等分后的两部分均可当作近似圆柱形TSV处理。然后仿照圆柱形TSV的等效电路结构并结合T-TSV的电阻-电感-电容-电导(Resistance-Inductance-Capacitance-Conductance, RLCG)参数模型分别建立了这两部分T-TSV的等效电路模型。最后将两部分的T-TSV等效电路模型串联得到完整的T-TSV等效电路模型。使用三维全波电磁场仿真软件HFSS验证等效电路模型的准确性,结果表明建立的等效电路模型在10GHz频率范围内具有较高的准确度。进一步使用建立的等效电路模型分析了T-TSV的底面半径、氧化层厚度、信号和地T-TSV之间的距离、硅衬底的电导率对其S参数的影响。3.提出了屏蔽差分硅通孔(Shield Differential Through-Silicon Via, SDTSV)结构并建立了它的等效电路模型。SDTSV的结构与同轴TSV类似,不过它在中心使用两根TSV传输差分信号。它的外围金属层既作为抑制周围电磁干扰的屏蔽层又作为内部差分传输线的返回通路。相比同轴TSV, SDTSV不需要额外的工艺步骤,并且它兼具同轴型TSV和差分TSV的优点。由于原始的SDTSV等效电路模型比较复杂,不便于应用,所以本文进一步通过“Δ-Y-Δ”变换法对其进行简化得到了SDTSV的简化等效电路模型。由HFSS仿真和简化等效电路模型得到的SDTSV的S参数在高达100GHz的频率范围内匹配良好。4.提出了SDTSV的RLCG参数全波提取方法。首先将SDTSV全波仿真得到的S参数矩阵转换为ABCD矩阵。然后根据SDTSV的理论ABCD矩阵得到它的奇偶模特性阻抗和传播常数。最后根据SDTSV奇偶模特性阻抗和传播常数的理论表达式得到SDTSV的RLCG参数全波提取表达式。由HFSS全波提取和理论模型计算得到的SDTSV的RLCG参数在高达100GHz的频率范围内匹配良好。另外,提出的SDTSV的RLCG参数全波提取方法适合于所有差分传输线。5.使用简化的SDTSV的等效电路模型深入分析了SDTSV的电磁特性。在实际应用中,最关心的是SDTSV的差分插入损耗的幅度和差分阻抗的实部。本文主要分析了的内部两根差分信号线的半径、氧化层的厚度、两根信号线之间的距离、外部屏蔽层的半径和硅衬底的电导率对这两个参数的影响。这为将来在3D IC中使用SDTSV提供有用的设计准则。6.提出了无畸变TSV的概念并给出了其设计要求和设计方法。根据传输线理论推导得到了无畸变TSV的RLCG参数应满足的关系式即设计要求。使用部分元等效电路(Partial Element Equivalent Circuit, PEEC)法计算多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT)束的有效电阻和电感并和传统的金属铜(Cu)的电阻和电感进行了比较,发现只有MWCNT束适合作为无畸变TSV的导体材料。因此给出的无畸变TSV设计方法也是针对MWCNT束的。使用提出的设计方法设计的无畸变TSV的传播常数随频率变化的线性度明显高于采用相同结构参数的Cu-TSV的传播常数随频率变化的线性度。因此设计的无畸变TSV可有效减小传输信号的畸变程度。