Concevoir un circuit numérique en technologie CMOS inferieur à 100nm se heurte à de multiples défis en termes de variation de process, voltage et temperature. L'attention s'est portée essentiellement sur les variations " inter-die " qui forme la plus grande partie des variations de process. Dans cette étude, nous nous sommes attachés sur deux formes particulières de variations : les divergences "Inter-die NMOS a PMOS " et les divergences aléatoires "Intra-die local". Aucune d'elles n'avait jusqu'alors d'effet notable durant les conceptions industrielles et sont désormais toutes deux source de soucis majeurs. Le travail en academia se concentre principalement sur le changement de process ou sur les améliorations architecturales. Notre action s'est orientée vers l'amélioration de la conception au niveau porte logique et au niveau chemin. Notre attention s'est portée sur les systèmes synchrones, i.e. system de distribution d'horloge qui est fortement impacté par ces variations. Nous avons proposé quelques méthodes de conception et des stratégies d'optimisation pour fabriquer des circuits plus robustes. La plupart de ces méthodes sont exploitables au sein même du flot de design existant ce qui minimise le cout et permet son adoption rapide dans l'industrie. Nous avons inclus l'effet des changements de voltage et de température sur ces deux variations pour élaborer une compréhension globale. Nous avons aussi proposé des méthodes pour vérifier les bases de notre travail en le comparant vis à vis des résultats de test sur silicium. Les résultats de ce travail ont permis de façonner la politique de comment gérer les divergences locales dans la conception industrielle.

Ce travail résume une partie de mes activités consacrées au magnétisme en couche mince et aux microsystèmes. Il concerne ici plus spécifiquement le développement de matériaux ferromagnétiques hautement perméables dont l'un des enjeux actuels est de dépasser l'incompatibilité historique avec les hyperfréquences. La bande spectrale d'intérêt s'est considérablement étirée vers le haut jusqu'à annoncer des besoins pour une perméabilité élevée à plus de 10 GHz aujourd'hui. Je décris des résultats dans un ordre quasi chronologique avec une progression dans le niveau de difficulté qui colle à l'évolution des applications (depuis les têtes magnétiques jusqu'aux antennes microondes). Je mets en avant une démarche systématique de boucles courtes entre la physique de la matière et celle des dispositifs. Le fil directeur est la montée spectaculaire en fréquence qui tire l'effort de développement des matériaux selon une feuille de route combinant aimantation élevée (2 T) et grande résistivité (103 μW.cm), avec le préalable incontournable au caractère doux sur lequel je reviendrai. Je montre aussi que les résultats à l'état de l'art arrivent en butée si l'on ne sort pas de la démarche historique de films d'alliage unique (ternaire, quaternaire et plus). Cette rupture sera établie avec le passage aux films issus d'hétérostructures comme avec le couplage d'échange interfacial entre un simple composé ferromagnétique binaire (dont l'aimantation est plus facilement proche de la valeur ultime) et une couche antiferromagnétique. Je reviendrai sur des résultats particulièrement originaux ici et sur leur interprétation. Pour terminer, je projetterai des perspectives allant vers une hétérogénéité croissante des matériaux selon ce principe. Dès lors, un objectif très ambitieux se dessine visant à réunir ferromagnétisme et ferroélectricité grâce aux couches minces et remettant au goût du jour les principes de la magnétoélectricité. C'est une évolution clé vers la miniaturisation extrême des éléments rayonnants (antennes) et résonnants (filtre) et la très grande agilité des systèmes. Je conclurai en ce sens avec une sélection de faits marquants récents qui illustrent également la jonction avec des disciplines émergentes comme celles des composés multiferroïques et des metamatériaux, avec des solutions très avantageuses ici.

Ce document présente une synthèse de mes contributions scientifiques au domaine de la micromanipulation robotique. La manipulation d'objets de tailles microscopiques, dont le comportement est régi par des effets de surfaces, nécessite des nouvelles solutions de préhension et d'assemblage. L'approche générale proposée dans ce manuscrit repose sur la proposition d'effectuer la manipulation présentant des avantages comme, par exemple, la stabilisation des comportements par effets visqueux ou le contrôle des propriétés de surface par des principes électrochimiques. La démarche scientifique présentée au chapitre 1 repose sur trois étapes mises en oeuvre lors de l'étude de la micromanipulation robotique en milieu liquide dont le contexte bibliographique est exposée au chapitre 2. La première étape (chapitre 3) consiste en un travail de modélisation des interactions entre micro-objets afin d'en prédire et d'en simuler le comportement. Sur la base de ces modèles, des stratégies de micromanipulation (chapitre 4) ont été proposées et des travaux scientifiques ont été menés sur leur caractérisation et leur commande. Ces stratégies de micromanipulations représentent le coeur des cellules robotiques de micro-assemblages présentées au chapitre 5. Les perspectives de ces travaux portant sur l'exploration du no man's land entre microscience et nanoscience, la proposition de méthodes permettant la création de micro-assemblages complexes et fonctionnels, ainsi que l'ouverture vers la manipulation robotique de cellules biologiques, font l'objet d'un dernier chapitre.

L'objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser une nouvelle génération de microphone MEMS monolithique de type électrodynamique, à base de bobines spirales planaires, réalisée en technologie standard complétée par un post process de micro-usinage en volume par la face avant. Après avoir décrire les différents procédés de fabrication des microsystèmes compatibles microélectroniques et récapituler l'état de l'art des différents principes de transduction des structures de microphones MEMS intégrés micro-usinés. Une modélisation électromagnétique détaillée est réalisée pour étudier le lien inductif entre les deux bobines, constituant le microphone, dans les différents modes de polarisation. Par la suite, une étude de la flexibilité et les constantes de raideur de la membrane suspendue a été menée. Cette analyse mécanique a pour but de concevoir un système de membrane souple qui a permis de placer la fréquence de résonance au milieu géométrique de la bande audible et d'avoir des amplitudes de déplacement suffisantes dans la plage linéaire. Ensuite, une modélisation électro-acoustique est nécessaire pour proposer un modèle théorique équivalent du microphone et évaluer sa sensibilité. Cette modélisation nous a permis de distinguer entre deux types de microphone {i} à conversion en déplacement et contrôlé par compliance et {ii} à conversion en vitesse et contrôlé par résistance. La dernière étape de cette thèse était d'accomplir le dessin des masques et fabriquer le 1er prototype.

Le coût et le temps de test élevés des testeurs RadioFréquences (RF) poussent à l'optimisation de test, voir même à des méthodes alternatives de test pour les circuits analogiques-mixtes RF. Jusqu'à présent, le test des circuits RF était effectué par la validation des spécifications fonctionnelles du circuit. Cependant, à cause des contraintes imposées par les fréquences en jeu de plus en plus élevées et par des temps de test les plus réduits possible, la mesure de certaines spécifications fonctionnelles, même sur testeurs dédiés, n'est plus faisable. Il est ainsi nécessaire de développer de nouvelles méthodes de test permettant de répondre à ces besoins. Cette thèse a pour objectif de commencer le développement d'un bouquet des circuits de test sur puce de type BIST (Built-In Self Test) le plus général possible pour les circuits RF afin de supporter l'étape de conception et d'optimiser le test de production. La validation de ces circuits de BIST est orientée défaut. Le développement de la stratégie de validation d'un circuit de BIST se base sur les points suivants : choix des mesures de test avec simulation du circuit sous test ; modélisation des mesures de test et de spécifications du circuit sous test a travers simulations Monte-Carlo ; génération d'une population statistiquement plus représentative a travers la théorie des Copules ; génération d'une liste de fautes qui peuvent se produire dans le circuits sous test ; simulations d'injection de fautes ; analyse des métriques de test telles que le taux de couverture, le taux de circuits défaillants qui passent le test (defect level) et le rejet de circuits fonctionnels par le test (yield loss). Ces travaux ont été menés sur un cas d'étude industriel de type synthétiseur de fréquence, PLL (Phase-Locked Loop), conçu à STMicroelectronics.

Ce travail contribue à établir une méthode de test permettant de déterminer l'impact des radiations naturelles sur le fonctionnement de circuits intégrés de type FPGA SRAM-Based. L'étude des erreurs potentielles liées aux événements singuliers ou multiples ayant lieu dans la mémoire de configuration sera faite à l'aide d'expériences d'injection de fautes réalisées avec un équipement laser. Il s'appuie sur une présentation du contexte scientifique ainsi qu'une description de l'architecture complexe des FPGA SRAM-Based et des moyens de tests usuels. Des expériences d'injection de fautes à l'aide d'un laser sont menées sur plusieurs familles de composants afin de réaliser des tests statiques de la mémoire de configuration et de trouver les liens avec le fonctionnement de l'application. Elles révèlent ainsi l'organisation et la sensibilité des cellules SRAM de configuration. Des tests dynamiques en accélérateur de protons permettent de définir des critères de criticité des bits de configuration en fonction de leur impact sur l'application. Un outil de prédiction du taux d'erreur critique a été développé et validé à partir de cette classification.

Carbon/molecule/Cu/Au molecular junctions were fabricated on 4-inch silicon wafers using microfabrication techniques common in commercial semiconductor manufacturing. Electron-beam deposited carbon films are introduced as substrates, and the junctions exhibited high yield and excellent reproducibility. Current density-voltage characteristics of the devices were area scaling, weakly dependent on temperature and exponentially on molecular film thickness, and quantitatively similar to those of devices made with other techniques reported previously in our group, which contained pyrolyzed photoresist films as substrates. Furthermore, the test of cycle life and thermal stability reveals that the devices can survive at least under several millions of potential cycles at room temperature in air, and elevated temperature up to 150 C in vacuum for >40 hours. Parallel fabrication, thermal stability, and high yield are required for practical applications of molecular electronics, and the reported results provide important steps toward integration of molecular electronic devices with commercial processes and devices.

Nous présentons ici un nouveau type de capteurs chimiques dont le principe repose sur la modification des propriétés mécaniques d'une micropoutre recouverte d'une couche sensible. L'adsorption d'espèces chimiques par cette couche modifie sa fréquence de résonance mais également sa courbure. La modélisation analytique des phénomènes physiques mis en jeu a permis l'optimisation de la géométrie des structures. Pour réaliser la mesure de la fréquence de résonance des micropoutres, celles-ci ont été insérées dans un oscillateur à contre-réaction. Les résultats expérimentaux ont mis en évidence la diminution de la fréquence de résonance en fonction de la masse additionnelle lors des dépôts de la couche sensible. Enfin, des détections de vapeur d'éthanol ont été réalisées. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux modèles analytiques validant ainsi les mises en équation effectuées

The subthreshold region of operation has simple physics which allows for a balanced-force approach to behavioral modeling that has shown to be robust to temperature, and a model that encapsulates MOSFET behavior across all operational regions has been developed. The subthreshold region of operation also allows for injection of charge onto floating nodes that allows for persistent storage that can be used in a variety of applications. The combination of charge storage and device modeling has allowed for the development of programmable circuits for digital applications.

En los últimos años se ha producido un gran avance en el desarrollo de herramientas de diseño asistido por computador (cad) en microelectrónica, motivado en gran medida por la creciente complejidad de los circuitos integrados digitales. Este proceso ha incidido principalmente en la automatización del diseño desde el nivel lógico al layout, mientras que las etapas iniciales (especificación del algoritmo y determinación de la arquitectura) siguen dependiendo del diseñador. En la presente tesis se aborda el estudio, análisis e implementación de herramientas de síntesis de alto nivel, capaces de proponer la arquitectura del sistema digital que mejor implementa el comportamiento descrito a nivel algorítmico al tiempo que satisface una serie de restricciones impuestas por el diseñador. Los sistemas desarrollados, psal1 y psal2, parten de una descripción algorítmica en vhdl o isps y generan una arquitectura que describen en vhdl, cvs, bk o ddl, utilizando los algoritmos de síntesis de alto nivel propuestos en la tesis doctoral, la conexión de estas herramientas con sistemas de síntesis a nivel de transferencia de registros, permite disponer de una metodología de diseño automático desde el nivel algorítmico al layout.