硅通孔技术是三维集成电路中的关键技术，能够提高封装效率并降低功耗，但随着集成电路特征尺寸持续缩小和信号频率持续增高，传统的硅通孔互连会出现可靠性和信号完整性问题。碳纳米管具有低电阻率和可承载电流密度大的特点，被认为极有可能在将来取代铜，成为新一代芯片互连线材料。本文主要从等效电路建模与信号完整性分析两个方面对基于碳纳米管束填充的硅通孔互连进行深入研究。本文首先结合量子电子学理论与碳纳米管基本特性，对碳纳米管互连线的等效电路模型进行分析。然后，分析基于地-信号-地硅通孔对结构的传统硅通孔集总等效电路模型，并与三维全波仿真的建模方法进行对比，验证等效电路模型的准确性。最后，着重对碳纳米管束填充的硅通孔进行分析，分别对单壁碳纳米管束填充的硅通孔与双壁碳纳米管束填充的硅通孔进行RLGC等效电路建模，并提出一种新型的基于同轴型混合碳纳米管束填充的硅通孔结构。在考虑硅通孔间寄生效应与MOS效应的基础上，提出该新型硅通孔结构的高频等效电路模型，并基于不同尺寸参数，通过SPICE软件仿真研究其在0GHz到40GHz范围内的损耗特性与时延特性。仿真结果表明相比于单一类型碳纳米管束填充硅通孔，新型硅通孔结构的传输损耗与上升边时延均有明显改善，在高频时具有更好的信号传输性能。另外对新型硅通孔结构进行时域眼图仿真，仿真结果表明该硅通孔结构在高速集成电路中可以满足对信号完整性的要求。