随着集成电路特征尺寸不断缩小,传统铜互连电阻率过大和可靠性等问题愈发严重,因而我们需要发展新型互连线技术。碳纳米材料因其诸多良好的物理特性,在互连技术应用中有着广阔的前景,可有效地缓解传统铜互连面临的挑战,从而满足延迟小、承载电流密度高和热效应好的互连要求。本论文对基于碳纳米材料的互连进行了结构设计和优化,建立了竖直石墨烯纳米带互连、铜-石墨烯新型异质互连和铜-碳纳米管混合互连的等效电路模型,对比分析了基于碳纳米材料的新型互连线的传输特性、热学性能和串扰问题,相关工作可分为以下几个部分:在第一部分中,为保障信号完整性,采用差分碳纳米管互连结构,建立并简化了相应的等效电路模型。研究了差分碳纳米管互连的传输性能。并在不同的驱动-负载模式下,对比分析了加工工艺参数的波动问题对差分碳纳米管互连线传输性能的影响。在第二部分中,提出竖直石墨烯纳米带互连的概念,建立相应的等效电路模型。研究了竖直石墨烯纳米带互连的电学性能和热学性能,结合在石墨烯纳米带掺杂杂质的概念,分析掺杂后竖直石墨烯纳米带互连线的传输性能,证明竖直石墨烯纳米带互连相较于水平石墨烯纳米带互连的性能优势。在第三部分中,考虑到铜互连良好导电性和较为成熟的工艺水平,以及碳纳米材料可承载电流密度高等特性,提出铜-碳纳米混合互连的新型结构。构建了铜-石墨烯异质互连和铜-碳纳米管混合互连的等效电路模型。铜-石墨烯异质互连线指以石墨烯为铜线保护层的互连结构,基于等效单导体传输线模型,提取出相应的散射电阻、量子电容和动电感等参数,研究了铜-石墨烯异质互连的传输特性和电热特性。铜-碳纳米管互连线指以碳纳米管和铜混合填充材料的新型互连线,碳纳米管的填充有效地提高了铜互连的可承载电流密度。研究了铜-碳纳米管混合互连的电学特性和稳定性,同时对比分析了两根和三根铜-碳纳米管混合互连线的串扰问题。总而言之,本文针对传统铜互连存在的问题和挑战,提出相应技术方案并进行探索研究。开展了新型碳纳米互连的电路建模和特性分析工作。