随着半导体工业技术的空前发展,超大规模集成(Very Large Scale Integrated, VLSI)电路的性能也得以空前的提高,但随着半导体工艺的特征尺寸缩小至深亚微米量级,工艺技术几乎达到了物理极限。另一方面,由数量巨大的互连线所带来的传输延时与干扰噪声效应越来越严重,并取代门延时成为决定电路性能的关键因素。基于硅通孔(Through-Silicon Via, TSV)的三维集成电路(Three Dimensional Integrated Circuit,3D IC)互连技术,将具有不同功能的异质芯片垂直堆叠在一起以实现三维互连,能够大幅度的降低全局互连线的长度,提高信号传输的带宽与速度,提高系统的集成度与芯片利用率,进而使得互连延迟、各种寄生效应以及功耗都能够显著的降低。三维集成电路的这些最本质的优点,使得其电路性能、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以及实现片上系统(System on Chip, SoC)的重要趋势和方案,也是业界所公认的能够使摩尔定律持续有效的新技术。因此,3D IC与TSV的设计就变得尤为重要,为了有效低提供大规模3D IC系统,前端的理论设计与后端的制造工艺都是必不可少的。本文从空气隙(Air-Gap) TSV入手,重点分析了高速3D IC中TSV的寄生效应以及等效电路；并在Air-Gap TSV的基础之上,提出了空气腔(Air-Cavity)TSV结构,并分析了高温与高频工作条件对这些新材料与新结构的TSV所带来的影响。本文的主要研究成果如下：本文采用空气隙作为TSV铜导体的绝缘介质层,深入研究了GSG(Ground-Signal-Ground)模式Air-Gap TSV结构的寄生电容效应。与Si02介质层相比,Air-Gap介质层一方面能够显著降低TSV的寄生电容；另一方面,当Air-Gap的厚度超过0.75 μm且外加偏置电压达到平带电压时,TSV的寄生电容可近似为Air-Gap介质层的寄生电容,而无需再计算阈值电压以及耗尽层电容。Air-Gap TSV寄生电容提取过程的简化,也正是得益于空气隙的低介电常数。本文采用部分电感解析方法,提出了GSG模式锥型TSV结构的高频寄生电感解析模型,包括趋肤效应、临近效应等高频特性。当TSV外侧壁倾角为90。时寄生电感可简化为圆柱形TSV的寄生电感,具有更好的适用性,所提出的数值模型与HFSS仿真验证以及测试结果都有较好的一致性。基于上述寄生效应的研究,综合TSV其他部分的寄生参数,如硅衬底的寄生效应与TSV铜导体的寄生电阻等,提出了用于连接高速电路中共面波导(Coplanar Waveguides, CPW)的GSG模式TSV的等效电路以及π型集总模型。根据不同空气隙的厚度,提出了两种等效电路模型,使得本文所提出的模型具有更好的适用性。采用3D电磁寄生参数提取工具Ansys’s HFSS软件、ADS软件以及Matlab软件验证了模型的精确性。本文基于对Air-Gap TSV各寄生效应的深入研究,提出了一种新型的TSV结构,即Air-Cavity TSV。该TSV结构是通过刻蚀掉TSV周围的硅衬底来降低高频电路中硅衬底的涡流损耗。通过对空气腔TSV传输结构的品质因数及S参数研究,可以发现该空气腔TSV结构在低阻硅衬底上,就能够实现较为理想的品质因数与S参数。本文基于品质因数与S参数的研究,讨论了最佳的空气腔物理尺寸,即不仅能够提供最佳的信号传输质量,亦能得到较高的互连结构稳定性。进一步提出了GSG模式空气腔TSV的等效电路与π型集总电路模型,并采用3D电磁寄生参数提取工具Ansys’s HFSS软件、ADS软件以及Matlab软件验证了模型的精确性。由于3D 1C将多层芯片堆叠在一起以及电路工作频率的不断提高,导致热密度过高,并面临严重的散热问题,尤其是距离热沉最远的最高层芯片,散热性能最差。由于铜的电阻率受温度变化的影响,因而TSV铜导体的寄生电阻也受到温度变化的影响。通过引入电阻温度系数TCR来表征TSV铜导体的寄生电阻随温度的变化规律。通过对TCR的推导,可知TSV的半径、工作频率都对TCR有显著的影响。另一方面,硅衬底中的载流子迁移率亦受到温度变化的影响,通过对其迁移率随温度变化的研究,推导其寄生电导随温度的变化规律。随着三维集成密度的显著提高,不同芯片层上互连线尺寸的差异以及TSV与互连线的阻抗失配问题,会在三维信号通道中引入较多的信号反射,该问题在高频电路中尤为显著。基于不同的工作频段,提出了不同的阻抗匹配方案。当工作频率为5 GHz时,在三维信号通道中加入匹配集总电容,构成LC匹配网络,以实现互连线与TSV之间的阻抗匹配。当工作频率达到微波范围内(20 GHz)时,采用分布式的切比雪夫多节阻抗变换器来实现不同芯片层互连线以及TSV之间的阻抗匹配,并研究了阻抗匹配对三维集成电路的功耗、延迟等性能的影响。