Aujourd'hui, il existe plusieurs façons de développer des circuits microélectroniques adaptés aux applications spatiales qui répondent aux contraintes sévères de l'immunité contre les radiations, que ce soit en termes de technique de conception ou de processus de fabrication. Le but de ce doctorat est d'une part de combiner plusieurs techniques nouvelles de microélectronique pour concevoir des architectures adaptées à ce type d'application et d'autre part, d'incorporer des composants magnétiques non-volatiles intrinsèquement robustes aux rayonnements. Un tel couplage serait tout à fait novateur et profiterait sans précédent, en termes de surface, de consommation, de robustesse et de coût.Contrairement à la conception de circuits synchrones qui reposent sur un signal d'horloge, les circuits asynchrones ont l'avantage d'être plus ou moins insensibles aux variations temporel résultant par exemple des variations du processus de fabrication. En outre, en évitant l'utilisation d'une horloge, les circuits asynchrones ont une consommation d'énergie relativement faible. Les circuits asynchrones sont généralement conçus pour fonctionner en fonction des événements déterminés grâce à un protocole de "poignée de main" spécifique.Pour les applications avioniques et spatiales, il serait souhaitable de fournir un circuit asynchrone rendu robuste contre les effets des radiations. En effet, la présence de particules ionisantes à haute altitude ou dans l'espace peut induire des courants perturbateurs dans des circuits intégrés qui peuvent être suffisants pour provoquer un basculement à l'état binaire maintenu par une ou plusieurs grilles. Cela peut provoquer un dysfonctionnement du circuit, connu dans l'état de l'art en tant que single event upset (SEU). Il a été proposé de fournir un module redondant double (Dual Modular Redundency: DMR) ou un module redondant triple (Tripple Modular Redundcy: TMR) dans une conception de circuit asynchrone afin de fournir une protection contre les radiations. De telles techniques s'appuient sur la duplication du circuit dans le cas de DMR, ou en triplant le circuit dans le cas de TMR, et en détectant une discordance entre les sorties des circuits comme indication de l'apparition d'une SEU.L'intégration de composants non-volatils intrinsèquement robustes, tels que les jonctions de tunnel magnétique (JTM), l'élément principal de la mémoire MRAM, pourrait conduire à de nouvelles façons de retenir les données dans des environnements difficiles. Les dispositifs JTM sont constitués de matériaux ferromagnétiques avec des propriétés magnétiques qui ne sont pas sensibles aux rayonnements. Les données sont stockées sous la forme de la direction de l'aimantation et non sous la forme d'une charge électrique, qui est une propriété essentielle pour les applications spatiales. Il est également largement reconnu dans le domaine de la microélectronique que les circuits intégrés fabriqués sur les substrats SOI (Silicon On Insulator) sont plus robustes aux radiations.Il existe donc un besoin dans l'état de l'art pour un circuit ayant une surface et une consommation d'énergie relativement faibles, et qui permet une récupération après un SEU sans nécessiter de réinitialisation et qui présente des caractéristiques non-volatiles. L'objectif de ce doctorat est de combiner tous les avantages mentionnés ci-dessus en regroupant plusieurs méthodes de conception microélectronique répondant aux contraintes des applications spatiales dans une nouvelle architecture. Un Circuit complet a été imaginé, conçu, simulé et envoyé en fabrication. Ce circuit est composé d'un pipeline asynchrone d'additionneur et d'un test intégré complexe connu sous le nom de BIST (Built In Self Test). Apres fabrication, ce circuit sera testé. Premièrement des tests fonctionnels vont être réalisés, puis des tests sous laser pulsé seront menés ainsi que sous attaques aux ions lourds. / Today, there are several ways to develop microelectronic circuits adapted for space applications that meet the harsh constraints of immunity towards radiation, whether in terms of technical design or manufacturing process. The aim of this doctorate is on the one hand to combine several novel techniques of microelectronics to design architectures adapted to this type of application, and on the other hand to incorporate non-volatile magnetic components inherently robust to radiation. Such an assembly would be quite innovative and would benefit without precedent, in terms of surface, consumption, robustness and cost.In contrast with synchronous circuit designs that rely on a clock signal, asynchronous circuits have the advantage of being more or less insensitive to delay variations resulting for example from variations in the manufacturing process. Furthermore, by avoiding the use of a clock, asynchronous circuits have relatively low power consumption. Asynchronous circuits are generally designed to operate based on events determined using a specific handshake protocol.For aviation and/or spatial applications, it would be desirable to provide an asynchronous circuit that is rendered robust against the effects of radiation. Indeed, the presence of ionising particles at high altitudes or in space can induce currents in integrated circuits that may be enough to cause a flip in the binary state held by one or more gates. This may cause the circuit to malfunction, known in the art as a single event upset (SEU). It has been proposed to provide dual modular redundancy (DMR) or triple modular redundancy (TMR) in an asynchronous circuit design in order to provide radiation protection. Such techniques rely on duplicating the circuit in the case of DMR, or triplicating the circuit in the case of TMR, and detecting a discordance between the outputs of the circuits as an indication of the occurrence of an SEU.The integration of inherently robust non-volatile components, such as Magnetic Tunnel Junctions (MTJ), the main element of MRAM memory, could lead to new ways of data retention in harsh environments. MTJ devices are constituted of ferromagnetic materials with magnetic properties that are not sensitive to radiation. Data is stored in the form of the direction of the magnetisation and not in the form of an electric charge, which is an essential property for space applications. It is also widely recognised in the field of microelectronics that integrated circuits manufactured on SOI (Silicon On Insulator) substrates are more robust to radiation.There is thus a need in the art for a circuit having relatively low surface area and power consumption, and that allows recovery following an SEU without requiring a reset and that has non-volatile characteristics. The objective of this doctorate is to combine all the above mentioned benefits by regrouping several methods of microelectronic design responding to the constraints of space applications into a novel architecture. A complete circuit has been created, designed, simulated, validated and sent to manufacturing in a 28nm FD-SOI process. This circuit is composed of an adder pipeline and a complex BIST (Build In Self Test). When fabricated, this circuit will be tested. First a functional test will be realised, then laser pules attacks will be performed and finally a heavy ions attack campaign.

Deux innovations en matière de procédés technologiques des semi-conducteurs sont des alternatives à la technologie traditionnelle des transistors MOS (« Metal-Oxide-Semiconductor ») « Bulk » planaires : d’une part le silicium totalement déserté sur isolant (FDSOI – « Fully Depleted Silicon on Insulator ») et d’autre part les transistors à effet de champ à aileron (FinFET – « Fin Field Effect Transistor »). En effet, alors que la technologie « Bulk » arrive à ses limites de miniaturisation des composants et systèmes, notamment du fait de l’effet de canal court, ces deux technologies présentent des propriétés prometteuses pour poursuivre cette réduction des dimensions, grâce à un meilleur contrôle électrostatique de la grille sur le canal du transistor. La technologie FDSOI est, comme l’historique « Bulk », une technologie MOS planaire, ce qui la place naturellement davantage dans la continuité technologique que les ailerons verticaux des transistors FinFETs. La compétition entre ces deux technologies est rude et de nombreuses études publiées dans la littérature comparent ces technologies en termes de performance en vitesse de fonctionnement, de consommation, de coût, etc. Néanmoins, aucune étude ne s’était encore penchée sur leurs propriétés respectives en termes de testabilité ; pourtant l’impact de défauts sur les circuits réalisés en technologies FDSOI et FinFET est susceptible d’être significativement de celui induit par des défauts similaires sur des circuits planaires MOS.Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur la conception de circuits d’étude similaires dans chacune des trois technologies et l’analyse comparative de leur comportement électrique sous l’effet d’un même défaut. Les défauts considérés dans notre étude sont les courts-circuits résistifs inter-portes, court-circuit résistif à la masse (GND), court-circuit résistif à l’alimentation (VDD), et circuits ouverts résistifs. La détectabilité des défauts est évaluée pour le test logique statique et le test dynamique en « délai ». Des simulations HSPICE et Cadence SPECTRE ont été effectuées en faisant varier la valeur de la résistance du défaut et le concept de résistance critique est utilisé afin de comparer la plage de détectabilité du défaut dans les différentes technologies. Les conditions optimales de polarisation du substrat (« body-biasing »), de tension d’alimentation et de température en vue d’obtenir la meilleure couverture de défauts possible sont déterminées pour chaque type de défaut. Un modèle analytique, basé sur la résistance équivalente des réseaux de transistors N et P actifs (« ON-resistance »), est proposé pour les courts-circuits résistifs, et permet d’évaluer la valeur de la résistance critique sans effectuer de simulation de fautes. Les propriétés en termes de testabilité sont également établies en tenant compte des variations de procédés, par des simulations Monte-Carlo réalisées aussi bien pour les dispositifs à tension de seuil nominale (« Regular-VT devices » : FDSOI-RVT et Bulk-LR) que pour les dispositifs à tension de seuil basse (« Low-VT devices » : FDSOI-LVT et Bulk-LL) disponibles pour les technologies 28 nm Bulk et FDSOI. / Fully Depleted Silicon on Insulator (FDSOI) and Fin Field Effect Transistor (FinFET) are new innovations in silicon process technologies that are likely alternatives to traditional planar Bulk transistors due to their respective promising ways of tackling the scalability issues with better short channel characteristics. Both these technologies are aiming in particular at regaining a better electrostatic control by the gate over the channel of the transistor. FDSOI is a planar MOS technology and as a result it is much more in continuity with planar Bulk as compared to the vertical FinFET transistors. The competition between these two technologies is fierce and many studies have been reported in the literature to compare these technologies in terms of speed performance, power consumption, cost, etc. However, these studies have not yet focused on their testability properties while the impact of defects on circuits implemented in FDSOI and FinFET technologies might be significantly different from the impact of similar defects in planar MOS circuit.The work of this thesis is focused on implementing similar design in each technology and comparing the electrical behavior of the circuit with the same defect. The defects that are considered for our investigation are inter-gate resistive bridging, resistive short to ground terminal (GND), resistive short to power supply (VDD) and resistive open defects. Defect detectability is evaluated in the context of either logic or delay based test. HSPICE and Cadence SPECTRE simulations are performed varying the value of the defect resistance and the concept of critical resistance is used to compare the defect detectability range in different technologies. The optimal body-biasing, supply voltage and temperature settings to achieve the maximum defect coverage are determined for these defect types. An analytical analysis is proposed for short defects based on the ON-resistance of P and N networks, which permits to evaluate the value of the critical resistance without performing fault simulations. Testability properties are also established under the presence of process variations based on Monte-Carlo simulations for both Regular-VT devices (FDSOI-RVT and Bulk-LR) and Low-VT devices (FDSOI-LVT and Bulk-LL) available for 28nm Bulk and FDSOI technologies.

Le futur réseau mobile 5G est prévu pour être déployé à partir de 2020, dans un contexte d’évolution exponentielle du marché de la téléphonie mobile et du volume de données échangées. La 5G servira de levier à des applications révolutionnaires qui permettront l’émergence du monde connecté. Dans ce but, plusieurs spécifications pour le réseau sont attendues même si aucun standard n’est encore défini et notamment une faible latence, une consommation d’énergie réduite et un haut débit de données. Les bandes de fréquences traditionnellement utilisées dans les réseaux mobiles ne permettront pas d’atteindre les performances visées et plusieurs bandes de fréquences millimétriques sont à l’étude pour créer un spectre complémentaire. Cependant, ces bandes de fréquence millimétriques souffrent d’une forte atténuation dans l’air et dans les matériaux de construction. Plusieurs techniques vont être implémentées pour outrepasser ces limitations dans les zones urbaines denses comme le backhauling, FD-MIMO et beamforming phased array. Ces techniques entraînent l’utilisation d’un grand nombre de transmetteurs dans les stations de bases et dans les dispositifs de l’utilisateur final. La technologie CMOS offre d’indéniables avantages pour ce marché de masse tandis que la technologie FD-SOI offre des performances et fonctionnalités additionnelles. L’amplificateur de puissance est le bloc le plus critique à concevoir dans un transmetteur et consomme le plus d’énergie. Afin d’adresser les challenges de la 5G, plusieurs spécifications concernant la puissance consommée, la linéarité et le rendement sont attendues. Les variations de l’environnement dans les beamforming phased array et le contexte industriel nécessitent des topologies robustes alors qu’une reconfigurabilité au niveau de l’amplificateur de puissance est bénéfique dans le cas de circuits adaptatifs. Cette thèse adresse ces challenges en explorant la conception d’un amplificateur de puissance reconfigurable et robuste pour des applications 5G en intégrant des techniques de design spécifiques et en mettant en avant les avantages de la technologie 28nm FD-SOI pour la reconfigurabilité. / The 5G future mobile network is planned to be deployed from 2020, in a context of exponential mobile market and exchanged data volume evolution. The 5G will leverage revolutionary applications for the advent of the connected world. For this purpose, several network specifications are expected notably low latency, reduced power consumption and high data-rates even if no standard is yet defined. The frequency bands traditionally used for mobile networks will not permit the needed performances and several mmW frequency bands are under study to create a complementary frequency spectrum. However, these mmW frequency bands suffer from large attenuation inbuilding material and in free-space. Therefore, several techniques will be implemented to tackle these limitations indense urban areas like backhauling, FD-MIMO and beamforming phased array. This is leading to a large number of transceivers for base stations and end-user devices. CMOS technology offers undeniable advantages for this mass market while FD-SOI technology offers additional features and performances. The power amplifier is the most critical block to design in a transceiver and is also the most power consuming. To address the 5G challenges, several specifications concerning power consumption, linearity and efficiency are expected. The environment variations inbeamforming phased array and the industrial context drive the need for robust topologies while power amplifier reconfigurability is benefic in a context of adaptive circuits. This thesis addresses these challenges by exploring the conception of a robust and reconfigurable power amplifier targeting 5G applications while integrating specific design techniques and taking advantage of 28nm FD-SOI CMOS technology features for reconfigurability purposes.

La pénétration importante d’objets communicants dans notre vie quotidienne révèle des défis important quant à leur développement. Notamment l’explosion d'applications multimédia sans fil pour l'électronique grand public fait de la consommation électrique une métrique clef dans la conception des dispositifs portables multimodes sans fil. Les émetteurs-récepteurs conventionnels proposent des performances fixes et sont conçus pour respecter ces hautes performances dans toutes les conditions de communication sans fil. Cependant, la plupart du temps, le canal n'est pas dans le pire cas de communication et ces émetteurs-récepteurs sont donc surdimensionnés. En connaissant l’état du canal en temps réel, de tels dispositifs pourraient s'adapter aux besoins et réduire significativement leur consommation électrique. Le défi consiste à respecter la Qualité de Service , ou Quality of Service (QoS) en anglais, imposée par les différents standards de communication. Afin de rester compétitifs, les émetteurs-récepteurs adaptatifs doivent donc proposer une même QoS que ceux déjà disponibles sur le marché. Ainsi, ni la portée de communication ni le temps de réponse ne peuvent être dégradés.Basé sur ces exigences, cette thèse propose une technique d'adaptation pour la conception d'un récepteur reconfigurable qui fonctionne à la limite des performances nécessaires pour recevoir le signal utile. Ainsi, le récepteur proposé est toujours au minimum de consommation électrique tout en garantissant la bonne QoS. Ceci permet alors de multiplier la durée de vie de sa batterie par un facteur 5.Cette adaptabilité est démontrée ensuite côté circuit par la conception d'un LNA (Amplificateur Faible Bruit) dont les performances sont reconfigurables. En effet, en tant que premier élément de la chaîne de réception, le LNA limite le récepteur en termes de sensibilité. Ces travaux exploitent la technologie FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) pour d’une part, réduire la consommation du LNA et d’autre part, ajouter de la reconfigurabilité à ce même circuit. / Communicating objects are inviting themselves into daily life leading to digitization of the physical world. This explosion of multimedia wireless applications for consumer electronics makes the power consumption a key metric in the design of multi-mode wireless portable devices. Conventional transceivers have fixed performances and are designed to meet high performances in all wireless link conditions. However, most of the time, the channel of communication is not at worst case and these transceivers are therefore over specified. Being aware of the channel link conditions would allow such devices to adapt themselves and to reduce significantly their power consumption. Therefore, the challenge is to propose a QoS (Quality of Service) in terms of communication range, response time as instance, equivalent to industrial modules with a reduced overall power consumption.To address this purpose, this thesis proposes a design strategy for the implementation of adaptive radio-frequency receiver (Rx) modules. Hence the Rx front end achieves the correct QoS for various scenarii of communications with a minimum of power consumption.As a proof of concept, the adaptive approach is demonstrated with the design of a tunable LNA (Low Noise Amplifier). As the first element of the receiver chain, the LNA limits the receiver in terms of sensitivity and is therefore a good candidate to perform reconfiguration. The body biasing of the FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) technology is first exploited to reduce the power consumption of a circuit and then as an opportunity to perform circuit tunability.

Depuis près d'un demi-siècle, l'industrie de la microélectronique a prospéré grâce à la miniaturisation des transistors Si CMOS. Cependant, la course à la miniaturisation se heurtera dans les prochaines années à des barrières physiques incontournables. Ainsi, de nombreux travaux technologiques sont en cours de réalisation sur les technologies émergentes et avancées. Ces technologies, notamment le graphène et la CMOS FD-SOI, représentent de grandes opportunités dans le domaine de la microélectronique, et notamment pour la conception de circuits radiofréquences et millimétriques. En outre, avec l'évolution croissante des objets et services connectés, les chercheurs travaillent intensivement sur les systèmes sans fil de cinquième génération (5G). La demande de débit de donnés et le besoin de spectre ont motivé l'utilisation de fréquences millimétriques. Par conséquent, la recherche 5G est confrontée par un ensemble de défis. L'un des défis majeurs de la 5G est la réduction de la consommation d'énergie. En fait, l'efficacité énergétique est directement liée à la fiabilité et au coût des systèmes de communication. L'amplificateur de puissance est l’élément le plus consommateur d'énergie, et l'un des blocs les plus critiques des émetteurs-récepteurs radio. Ainsi, la recherche dans ce domaine est cruciale pour les systèmes de communication de la prochaine génération. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'étudier et de concevoir des amplificateurs de puissance sur les technologies émergentes et avancées pour les applications 5G. / For nearly half a century, the microelectronics industry has flourished based on the scaling of the silicon CMOS transistor technology. However, the race to transistor miniaturization encounters inevitable physical barriers. Thus, many technological works are under way for the realization of future transistors on emerging and advanced technologies. These technologies, notably the graphene and the CMOS FD-SOI, represent great opportunities for research in the fields of microelectronics, and especially for the design of radiofrequency and millimeter circuits. Besides, with the rising evolution of wireless devices and services, researchers are intensively working on the fifth generation (5G) wireless systems. The demand for high speed data and the need for more spectrum, have motivated the use of millimeter wave carrier frequencies. Therefore, the 5G research is faced with an evolving set of challenges. One of the major challenges of the next generation communication technology is reducing energy consumption. In fact, the power efficiency is directly related to the reliability and cost of the communication systems. It is widely known that the radiofrequency power amplifier is the most power consuming component in the radio transceivers, and is also one of the most critical building blocks in radio front-end. Therefore, research in this area is crucial for next generation communication systems. Consequently, the objective of this thesis is to study and design power amplifiers on emerging and advanced technologies for 5G applications.

Ce sujet de thèse a pour objectif principal la conception de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) en technologie silicium avancée sur isolant film mince (FDSOI) avec la compatibilité substrat massif. Ceci suppose une caractérisation ESD des dispositifs élémentaires déjà existants et une conception complète de nouveaux dispositifs sur technologie FDSOI. Ces caractérisations se feront, soit en collaboration avec les équipes de caractérisation ESD présents à STMicroelectronics-Crolles, soit directement par le doctorant grâce au banc de test ESD présent dans le laboratoire pour les développements plus en amont si besoin. La caractérisation fine des mécanismes physiques et des performances des composants sera menée à IMEP qui dispose des équipements adéquats (bancs de mesures en basse et haute température, bruit, pompage de charge, etc) et d’une compétence scientifique incontournable. Il sera ensuite nécessaire d’effectuer des choix de stratégies de protection ESD en fonction des applications et des circuits visés par les équipes de STMicroelectronics. On gardera à l’esprit la notion de fiabilité dès la conception de la protection. Une des stratégies envisagée pour la réalisation de protections ESD compatibles avec des films ultra-minces est l’intégration de ces dispositifs sur substrats hybrides. En effet, il a été démontré chez STMicroelectronics en partenariat avec le LETI qu’il était possible de co-intégrer à partir d’un substrat SOI des dispositifs FDSOI ainsi que des dispositifs bulk. Ceci est rendu possible au moyen d’un réticule supplémentaire qui permet de venir retirer le film de silicium et l’oxyde enterré aux endroits voulus. Ainsi la protection ESD est similaire à celle réalisée sur silicium massif mais avec des implantations compatibles avec des dispositifs à film mince. Les dispositifs sont donc sensiblement différents de ceux réalisés sur bulk et nécessitent une caractérisation approfondie afin de les optimiser au mieux. Une approche ambitieuse vise à concevoir des composants SOI inédits, utilisables pour la protection ESD. Ce volet du travail sera en autre effectué sous la responsabilité de l’IMEP qui a récemment inventé et publié plusieurs types de transistors révolutionnaires : Z2-FET, TFET et BET-FET [12-14].Les études se feront sur des dispositifs silicium sur isolant issus des technologies de fabrication STMicroelectronics. Pour ce faire, il sera nécessaire d’appréhender les techniques de fabrication. Dans ce cadre, une simulation des processus de fabrication est envisagée sous la chaîne d’outil ISE-TCAD en C20nm et technologies futures. Tout d’abord ceci permettra d’embrasser l’ensemble des possibilités inhérentes à la création de nouveaux composants dans la technologie considérée et ensuite cette étude préliminaire fournira des structures de simulation pour les configurations ESD. Parallèlement, les outils TCAD de simulation physique du semi-conducteur à gap indirect type silicium seront mis à profit pour étudier plus précisément le comportement du composant élémentaire de protection ESD. Ces éléments peuvent être par exemple de type : diode, ggNMOS, Tr BIMOS, SCR ou SCR, T2, Beta-matrice, PPP… La synergie avec l’IMEP est essentielle pour l’identification et l’analyse des mécanismes physiques gouvernant le fonctionnement des dispositifs. Notamment, l’objectif principal est d’intégrer la protection ESD dans son application finale et d’évaluer son efficacité et son dimensionnement par l’intermédiaire de paramètres géométriques par exemple. Il sera également possible de réaliser des simulations mixtes afin de mieux tenir compte des effets 3D de la structure (effet de coins, dépolarisation de substrat) et de connaître l’influence des circuits de déclenchement associés à cette protection. L’optimisation de l’implantation de la protection ESD sera alors envisageable au regard des résultats de simulation. On se place ici dans le cadre d’une démarche de Co-Design de protection ESD. / "The thesis main objective is the design of protection againstelectrostatic discharge (ESD), for deep submicron (DSM)state-of-the-art fully depleted silicon-on-insulator technology (FDSOI).This requires the ESD characterization of existing elementary devicesand design of new FDSOI devices. The detailed characterization of thephysical mechanisms and device performance will be conducted at IMEPwhich has adequate facilities and scientific competence in this field.It will then be necessary to make choices for ESD protectionstrategies based on circuit applications by STMicroelectronics. Anambitious approach aims to develop novel SOI components used for ESDprotection. This part of the work will be performed under theresponsibility of IMEP as it has has recently invented and publishedseveral types of revolutionary transistors Z 2-FET, TFET andBET-FET. It will be necessary to understand the fabrication processtechnology of STMicroelectronics. In this framework, 3D simulation ofthe technology will be performed on TCAD software for 28nm FDSOI andfuture technologies. Physical simulation, with TCAD tools of thesemiconductor will be used to study more precisely the behavior of theelementary devices of ESD protection. Collaboration with the IMEP isessential for the identification and analysis of the physicalmechanisms governing device operation.In particular, the main objective is to integrate ESD protection andevaluate its effectiveness and design. It will also be possible toperform mixed-mode simulation to better analyse the effects of the 3Dstructure (corner effects, depolarization of substrate) and evaluatethe influence of trigger circuits associated with this protection.Optimizing the implementation of ESD protection will then be possible.Having studied from a theoretical point of view and numericalsimulation, ESD protection cells and trigger circuits associated withthe ESD protection strategy, qualification on silicon will be applied.This will be done by a test vehicle in the chosen SOI technology, andelectrical characterization of the structures and protection networkswill follow. Finally, the ESD performance will be analyzed to provideoptimization of the design and the choice of ESD protection strategybased on targeted applications."

Avec la diminution constante des dimensions des dispositifs électroniques, les structures MOS font face à de nombreux effets physiques liés à la miniaturisation. Dans le but de maintenir le rythme d'intégration indiqué par la loi de Moore, des nouvelles technologies, dont la structure résiste plus à ces effets physiques, remplacerons le transistor MOSFET bulk. Les modèles physiques permettant de prédire le comportement des transistors MOS atteignent rapidement leurs limites quand ils sont appliqués à ces structures émergentes. Ce travail de thèse est consacré au développement des modèles numériques et analytiques dédiés à la caractérisation des nouvelles architectures SOI et à substrat massif. Nous nous focalisons sur la modélisation du courant de drain basée sur le potentiel de surface, ainsi qu'à la modélisation du comportement en bruit basse fréquence de ces nouveaux dispositifs. Nous proposons un modèle explicite décrivant les potentiels de surface avant et arrière d'une structure SOI. Nous développons ensuite un modèle de bruit numérique et analytique permettant de caractériser les différents oxydes d'une structure FD SOI. La dernière partie de ce mémoire est consacrée à l'étude d'une nouvelle architecture du transistor MOS sur substrat massif. Une caractérisation de la conduction électrique de ce dispositif et de son comportement en bruit basse fréquence sont présentés / With the continuous reduction of the size of MOS devices, various associated short channel effects become significant and limit this scaling. To restrain this limit, multi-gate MOSFET devices seem to be more interesting, thanks to their better control of the gate on the channel. These new devices seem to be good candidates to replace the classical MOS architecture. The existing physical models used to predict the behaviour of MOSFET bulk devices are limited when they are applied to these emerging structures. This thesis is devoted to the development of numerical and analytical models dedicated to the characterization of new SOI architectures and bulk devices. We focus on the modeling of the drain current based on the surface potential as well was the modeling of the low frequency noise behaviour of these devices. We propose an explicit model describing the front and back surface potential of a FD SOI structure. We then develop numerical and analytical low frequency noise models allowing the characterization of the different oxides of a FD SOI structure. The last part of this thesis is devoted to the study of a new architecture of bulk MOS transistors. A characterization of the electrical conduction of this device and its low frequency noise behavior are presented

L'efficacité énergétique est devenue une métrique clé de la performance des systèmes sur puce numériques, en particulier pour les applications tirant leur énergie de batteries ou de l'environnement. La miniaturisation technologique n'est plus suffisante pour atteindre les niveaux de consommation requis. Ce travail de recherche propose ainsi de nouvelles conceptions de circuits pour la génération d'horloge flexible, la mesure de puissance et de température ainsi que l'intégration de ces blocs au sein de systèmes sur puce complets.Le multiplieur de fréquence innovant en boucle ouverte proposé permet l'adaptation rapide de la fréquence générée (53MHz 0.5V - 889MHz 0.9 V). Sa surface réduite (981µm2) et faible consommation (0.45pJ/cycle à 0.5 V) facilitent son intégration dans des systèmes à basse consommation. Le capteur de puissance instrumente un convertisseur de tension switched-capacitor; validé sur deux architectures différentes, il permet une mesure de la puissance d'entrée et de sortie avec une précision de 2.5% à 6%. Enfin, un nouveau principe de capteur de température est proposé. Il exploite une méthode de calibration par body-biasing sur caisson n et un système numérique intégré pour la compensation de non-linéarité. Enfin, cette thèse illustre la manière dont ces circuits peuvent être intégrés pour assurer la gestion de consommation de systèmes complexes. Un travail de modélisation du body-biasing est proposé, illustrant sa complémentarité avec la gestion de tension d'alimentation. Puis trois exemples de stratégies de gestion de la consommation sont proposées au sein de systèmes complets. / Energy efficiency has become a key metric for digital SoC, especially for applications relying on batteries or energy harvesting. Hence, this work proposes new designs for on-chip flexible clock generator, power monitor and temperature sensor as well as the integration of those blocks within complete SoC.The novel open-loop clock multiplier architecture enables fast frequency scaling and is implemented to operate on the same voltage-frequency range as a digital core ((53MHz 0.5V - 889MHz 0.9 V). The achieved extremely low area (981µm2) and power consumption 0.45pJ/cycle 0.5 V) also ease its integration within low power SoC. The proposed power monitor instruments switched capacitor DC-DC converters, which are standard components of low voltage SoCs. The monitor has been demonstrated over two different converters topologies and provides a measurement of both the converter input and output power within 2.5% to 6% accuracy. Last, a new principle of temperature sensor is proposed. It leverages single n well body-biasing for calibration and integrated digital logic for large non-linearity correction. It is expected to achieve within 1C accuracy 0.1nJ / sample and 225 µm2 probe area. Then, this work illustrates how those circuits can be integrated within complex SoCs power management strategies. First, a modeling study of body biasing highlights the benefits it can provide in complement to voltage scaling, accounting for a wide temperature range. Last, three example of power management are proposed at SoC level.

Afin de suivre le rythme effréné des évolutions des systèmes embarqués et des dispositifs portables, il s’avère aujourd’hui indispensable d’optimiser la gestion de l’énergie sans pour autant compromettre la performance et la robustesse des circuits. Dans ce contexte, cette thèse étudie de nouveaux dispositifs de gestion de l’énergie ainsi que leur mise en œuvre, en combinant deux approches: la logique asynchrone et les techniques de polarisation du substrat (Adaptive Body Biasing - ABB). Cette thèse comporte quatre contributions permettant la conception de circuits asynchrones énergétiquement plus efficaces. 1) Une unité arithmétique et logique (UAL) asynchrone quasi insensible aux délais (Quasi Delay Insensitive - QDI) a été conçue et utilisée pour mener une analyse comparative entre systèmes synchrones et asynchrones. Cette étude démontre notamment  la meilleure efficacité énergétique et la plus grande robustesse des circuits asynchrones QDI, surtout lorsqu’ils fonctionnent à basse tension. 2) Une cellule standard a été spécialement développée pour mettre en œuvre nos schémas d’adaptation dynamique du substrat (ABB) qui ajustent la tension de seuil (Vth) des transistors. En outre, cette cellule s’est révélée très utile pour la détection de fautes transitoires causées par des radiations environnementales. Cette cellule est en outre un élément clé pour exploiter la polarisation du substrat, un des intérêts majeurs de la technologie FD-SOI, et d’améliorer la fiabilité du système. 3) Trois stratégies de polarisation de substrat ont été évaluées. Ces stratégies reposent sur la détection automatique de l’activité des circuits asynchrones QDI et de la polarisation de multiples domaines dans le substrat (Body Biasing Domains - BBD). De plus, une méthode pour analyser l’efficacité énergétique des stratégies de polarisation pour les circuits asynchrones QDI a également été proposée dans le cadre de cette thèse. 4) Enfin, un flot de conception de circuits numériques intégrés a été proposé et développé. Ce flot, basé sur des cellules standards, permet d’exploiter des stratégies de polarisation (ABB) avec plusieurs domaines (BBD) en utilisant la cellule standard spécialement développée. Un testchip a été conçu et fabriqué pour valider notre flot de conception et évaluer l’efficacité de la cellule proposée. / Keeping the fast evolving pace of embedded systems of portable devices require ameliorations of power management techniques, without compromising the circuit performance and robustness. In this context, this thesis studies novel energy management schemes, and how to implement them, by using two main design approaches: asynchronous logic and adaptive body biasing (ABB) techniques. Four main contributions have been done, thus enabling the design of more energy efficient asynchronous circuits. 1) We contributed with the design of a Quasi-delay Insensitive (QDI) asynchronous ALU architecture, used in a comparative analysis of asynchronous versus synchronous systems. This first study has demonstrated the energy efficiency and robustness of QDI circuits, especially if operating at low power supply (Vdd ). 2) We proposed a new body built-in cell for implementing ABB schemes by tuning the circuit threshold voltage (Vth) on-the-fly; and detecting short-duration and long-duration transient faults (TF) caused by environmental radiation. The proposed cell is a key building block to fully benefit from body biasing features of the FD-SOI technology while enhancing system’s reliability. 3) We assessed three different ABB strategies - based on automatic activity detection and multiple body-biasing domains (BBDs) - for QDI asynchronous circuits. Furthermore, a methodology for analyzing energy efficiency of ABB strategies in QDI asynchronous circuits is also proposed in this work. 4) We developed a standard cell-based IC design flow to apply ABB strategies with multiple BBDs by using the proposed body built-in cells. A testchip has been designed and fabricated to validate the developed design flow and the efficacy of the body built-in cell.

La réduction des dimensions des transistors à effet de champ MOS a depuis quelques années ralenti à cause de l'émergence de facteurs parasites tels que la résistance d'accès. En effet, la miniaturisation du canal s'est accompagnée par une diminution de sa résistance tandis que celle des zones d'accès à la frontière avec le canal est restée constante ou a augmenté. L'objectif de cette thèse a été de mettre en place une méthodologie de caractérisation électrique prenant en compte cette composante parasite longtemps considérée négligeable dans le milieu industriel.Dans un premier chapitre, le fonctionnement de la technologie CMOS et la spécificité de son adaptation FD-SOI sont d'abord présentées. La deuxième moitié du chapitre est quant à elle consacrée à l'état de l'art de la caractérisation électrique et de leur position vis-à-vis de la résistance d'accès.Le second chapitre présente une nouvelle méthode d'extraction des composantes parasites résistives et capacitives à l'aide de transistors de longueurs proches. Les résultats obtenus sont ensuite comparés aux modèles existants. De ces derniers, un nouveau modèle plus physiquement pertinent est proposé en fin de chapitre.Le troisième chapitre expose une nouvelle méthode de caractérisation électrique basée sur la fonction Y qui permet une analyse du comportement d'un transistor sur l'ensemble de son régime de fonctionnement. Cette nouvelle méthode est ensuite combinée à celle développée dans le chapitre 2 pour assembler un protocole expérimentale permettant de corriger et d'analyser l'impact des résistances d'accès sur les courbes de courant et les paramètres électriques.Finalement, le dernier chapitre applique la méthodologie vue dans la chapitre précédent à l'étude du désappariement stochastique des transistors. Les résultats obtenus sont ensuite comparés aux méthodes en vigueur dans les domaines industriel et académique qui présentent chacune leurs avantages et leurs inconvénients. La nouvelle méthode ainsi proposée tente de garder le meilleur de chacune de ces dernières. / The reduction of the dimensions of field effect MOS transistors has slowed down during the last years due to the increasing importance of parasitic factors such as access resistance. As a matter of fact, channel miniaturisation was accompanied by a reduction of its intrinsic resistance while that of the access region at the frontier with the channnel stayed constant or increased. The goal of this thesis was to set a new electrical characterization method to take into account this parasitic component long considered negligible in by industrials.In the first chapter, CMOS technologies working and its FD-SOI adaptation specificities are presented. The second half of the chapter deals with the state of the art of electrical characterization and their hypothesis about access resistance.The second chapter present a new resistive and capacitive parasitic components extraction method using transistors of close channel length. The results are then compared to existing models from which, a new one more physically accurate is proposed.The third chapter expose a new electrical characterization method based on Y function allowing the analyze of transistor behavior on the whole working regime. This new method is then combined with the one developped in the previous chapter to build a new experimental protocol to correct and analyze the impact of access resistances on current curves and parameters.Finally, the last chapter apply this new methodology to the case of stochastic mismatch between transistors. The results are then compared to the methods used by industrials and academics, each of them having their own pros and cons. The new method proposed tries to keep the best of both previous one.