Durant les 5 dernières décennies, les technologies CMOS se sont imposées comme méthode de fabrication principale pour les circuits semi-conducteurs intégrés avec notamment le transistor MOSFET. Néanmoins, la miniaturisation de ces transistors en technologie CMOS sur substrat massif atteint ses limites et a donc été arrêtée. Les filières FDSOI apparaissent comme une excellente alternative permettant une faible consommation et une excellente maîtrise des effets électrostatiques dans les transistors MOS, même pour les nœuds technologiques 14 et 28 nm. Cependant, la pente sous le seuil (60 mV/décade) du MOSFET ne peut pas être améliorée, ce qui limite la réduction de la tension d’alimentation. Cette restriction a motivé la recherche de composants innovants pouvant offrir des déclenchements abrupts tels que le Z2-FET (Zéro pente sous le seuil et Zéro ionisation par impact), Z2-FET DGP (avec double Ground Plane) et Z3-FET (Zéro grille avant). Grace à leurs caractéristiques intéressantes (déclenchement abrupte, faible courant de fuite, tension de déclenchement ajustable, rapport de courant ION/IOFF élevé), les dispositifs à modulation de bandes peuvent être utilisés dans différentes applications. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur la protection contre les décharges électrostatiques (ESD), la mémoire DRAM embarquée sans capacité de stockage, et les interrupteurs logiques. L’étude des mécanismes statique et transitoire ainsi que des performances de ces composants a été réalisée grâce à des simulations TCAD détaillées, validées systématiquement par des résultats expérimentaux. Un modèle de potentiel de surface pour les trois dispositifs est également fourni. / During the past 5 decades, Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology was the dominant fabrication method for semiconductor integrated circuits where Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) was and still is the central component. Nonetheless, the continued physical downscaling of these transistors in CMOS bulk technology is suffering limitations and has been stopped nowadays. Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) technology appears as an excellent alternative that offers low-power consumption and improved electrostatic control for MOS transistors even in very advanced nodes (14 nm and 28 nm). However, the 60 mV/decade subthreshold slope of MOSFET is still unbreakable which limits the supply voltage reduction. This motivated us to explore alternative devices with sharp-switching: Z2-FET (Zero subthreshold slope and Zero impact ionization), Z2-FET DGP (with Dual Ground Planes) and Z3-FET (Zero front-gate). Thanks to their attractive characteristics (sharp switch, low leakage current, adjustable triggering voltage and high current ratio ION/IOFF), band-modulation devices are envisioned for multiple applications. In this work, we focused on Electro-Static Discharge (ESD) protection, capacitor-less Dynamic Random Access Memory and fast logic switch. The DC and transient operation mechanisms as well as the device performance are investigated in details with TCAD simulations and validated with systematic experimental results. A compact model of surface potential distribution for all Z-FET family devices is also given.

Les circuits intégrés (CI) devenant de plus en plus complexes et vulnérables face aux décharges électrostatiques (ESD pour ElectroStatic Discharge), la capacité à vérifier de manière fiable la présence de défauts de conception ESD sur des puces comptant plusieurs milliards de transistors avant tout envoi en fabrication est devenu un enjeu majeur dans l’industrie des semi-conducteurs. Des outils commerciaux automatisés de dessin électronique (EDA pour Electronic Design Automation) et leur flot de vérification associé permettent d’effectuer différents types de contrôles qui se sont révélés être efficaces pour des circuits avec une architecture classique. Cependant, ils souffrent de limitations lorsqu’ils sont confrontés à des architectures inhabituelles, dites custom. De plus, ces méthodes de vérification sont généralement effectuées tard dans le flot de conception, rendant toute rectification de dessin coûteuse en termes d’efforts correctifs et de temps. Cette thèse de doctorat propose une méthodologie de vérification ESD systématique et multi-échelle introduite dans un outil appelé ESD IP Explorer qui a été spécifiquement implémenté pour couvrir le flot de conception dans sa globalité et pour adresser des circuits dits custom. Il est composé d’un module de reconnaissance et d’un module de vérification. Le module de reconnaissance identifie tout d’abord et de manière automatisée les structures de protection ESD, embarquées sur silicium dans le circuit intégré pour améliorer leur robustesse ESD, selon un mécanisme de reconnaissance topologique. Le module de vérification convertit ensuite le réseau de protection ESD, formé des structures de protection ESD, en un graphe dirigé. Finalement, une analyse ESD quasi-statique reposant sur des algorithmes génériques issus de la théorie des graphes est effectuée sur la globalité du circuit à vérifier. Des algorithmes d’apprentissage automatique ont été employés pour prédire les comportements quasi-statiques des protections ESD à partir des paramètres d’instance de leurs composants élémentaires sous la forme d’une liste d’interconnexions. L’avantage ici est qu’aucune simulation électrique n’est requise pendant toute la durée d’exécution d’ESD IP Explorer, ce qui simplifie l’architecture de l’outil et accélère l’analyse. Les efforts d’implémentation ont été concentrés sur la compatibilité d’ESD IP Explorer avec le nœud technologique 28nm FD-SOI (pour Fully Depleted Silicon On Insulator). L’outil de vérification développé a été utilisé avec succès pour l’analyse d’un circuit incorporant des parties numériques et à signaux mixtes et comprenant plus de 1,5 milliard de transistors en seulement quelques heures. Des circuits custom qui n’ont pas pu être vérifiés au moyen d’outils de vérification traditionnels du fait de problèmes d’incompatibilité ont également pu être soumis à analyse grâce à ESD IP Explorer. / As Integrated Circuits (ICs) become more complex and susceptible to ElectroStatic Discharges (ESD), the ability to reliably verify the presence of ESD design weaknesses over a multi-billion transistor chip prior to the tape-out is a major topic in the semiconductor industry. Commercial tools dedicated to Electronic Design Automation (EDA) and related verification flows are in charge of providing checks that have been proven to be efficient for circuits with a mainstream architecture. However, they suffer limitations when confronted with custom designs. Moreover, these verification methods are often run late in the design flow, making any design re-spin costly in terms of corrective efforts and time. This Ph. D. thesis proposes a systematic and scalable ESD verification methodology embodied in a tool called ESD IP Explorer that has been specifically implemented to cover the entire design flow and to comply with custom circuit architectures. It is composed of a recognition module and a verification module. The recognition module first automatically identifies ESD protection structures, embedded in integrated circuits to enhance their ESD hardness, according to a topology-aware recognition mechanism. The verification module then converts the ESD protection network that is formed by ESD protection structures into a directed graph. There, technology-independent and graph-based verification mechanisms perform a chip-scale quasistatic ESD analysis. Machine learning algorithms have been used in order to infer the quasistatic behavior of ESD IPs from the netlist instance parameters of their primary devices. This approach has the advantage that no simulation is required during the execution of ESD IP Explorer, which makes the tool architecture simpler and improves execution times. Implementation efforts pertained to the compliance of ESD IP Explorer with the 28nm Fully Depleted Silicon On Insulator (FD-SOI) technology node. The developed verification tool has been used to successfully analyze a digital and mixed-signal circuit prototype counting more than 1.5 billion transistors in several hours, as well as custom designs that could not be analyzed by means of traditional verification tools due to incompatibility issues.