过去二十年来,集成电路的发展一直遵循着摩尔定律,器件尺寸不断地缩小,且未来若干年内这种趋势仍将持续下去。随着器件特征尺寸的缩小,门延迟不断减小,而互连线引起的时间延迟却相应增加。在90nm节点,互连线延迟已经超过了微处理器的门延迟,这表明集成电路已经从“晶体管时代”进入到“互连线时代”。因此,如何设计应用于下一代集成电路中的高性能互连线保证其优秀性能和可靠性,是目前该领域中研究者关注的焦点。论文重点研究了碳纳米和硅通孔互连线,主要研究工作和创新点可归纳为：1)从石墨烯结构出发,对单层石墨烯纳米带的能带结构进行分析,提取了有效沟道数和平均自由程。进一步地,给出了不同类型石墨烯纳米带有效沟道数的等效公式,从而得到了量子接触电阻和散射电阻值的解析表达式。2)对多层石墨烯纳米带建立了等效单导体模型,给出了量子电容和动电感的解析公式,并与多壁碳纳米管进行了比较和分析。基于其等效单导体模型,对多层石墨烯纳米带的等效电阻率、时延特性及串扰特性进行系统分析。3)针对硅通孔的物理结构,建立其等效电路模型,并考虑了MOS效应、频率、温度以及物理和几何参数的变化对其传输性能的影响。4)针对高密度硅通孔阵列中的电磁耦合问题,以典型的三根硅通孔单元为例,考虑彼此间的感性耦合、容性耦合以及屏蔽效应,利用解析方法得到有效电导和电容。进一步地,利用多物理场数值方法研究了高密度硅通孔阵列的热串扰问题。5)为解决硅通孔阵列中的电磁干扰问题,研究了具有自屏蔽功能的同轴硅通孔结构。考虑到其内部对应MOS电容的影响,建立了相应的等效电路模型。同时,研究了不同介质填充时的传输特性,结果表明用BCB材料填充时其传输性能可以得到较大提升,但其功率容量会受到很大影响。6)利用碳纳米管束填充硅通孔,可以发现其传输性能及热性能均得到较大提升。继而利用传输线方法对其进行数值分析,并对其进行电路建模,从而得到了时域的噪声电压响应。此外,论文研究了多壁碳纳米管构造的片上电容模型,对其进行电路建模,研究了尺寸变化对其高频性能和品质因素的影响。论文还提出了一种新型散热结构,即采用碳纳米管填充的导热硅通孔和石墨烯散热层,从而将三维集成电路中的热量传导至底层热沉积。虽然这种结构仍有很多问题需要解决,但利用它能够有效解决三维集成电路中的热管理问题。