The fabrication of silicon heterojunction bipolar transistors which have a record unity-current-gain cutoff frequency (f/sub T/) of 75 GHz for a collector-base bias of 1 V, an intrinsic base sheet resistance (R/sub bi/) of 17 k Omega / Square Operator , and an emitter width of 0.9 mu m is discussed. This performance level, which represents an increase by almost a factor of 2 in the speed of a Si bipolar transistor, was achieved in a poly-emitter bipolar process by using SiGe for the base material. The germanium was graded in the 45-nm base to create a drift field of approximately 20 kV/cm, resulting in an intrinsic transit time of only 1.9 ps.< >

A detailed review of SiGe epitaxial base technology is presented, which chronicles the progression of research from materials deposition through device and integration demonstrations, culminating in the first SiGe integrated circuit application. In part I of this paper, the requirements and processes for high-quality SiGe film preparation are discussed, with emphasis on fundamental principles. A detailed overview of SiGe HBT device design and implications for circuit applications is then presented.< >

For pt. I, see ibid., vol. 3, p. 455-68 (1995). This part focuses on process integration concerns, first described in general terms and then detailed through an extensive review of both simple non-self-aligned device structures and more complex self-aligned device structures. The extension of SiGe device technology to high levels of integration is then discussed through a detailed review of a full SiGe HBT BiCMOS process. Finally, analog circuit design is discussed and concluded, with a description of a 12-bit Digital-to-Analog Converter presented to highlight the current status of SiGe technology.

The DC design considerations associated with optimizing epitaxial Si- and SiGe-base bipolar transistors for the 77-K environment are examined in detail. Transistors and circuits were fabricated using four different vertical profiles, three with a graded-bandgap SiGe base, and one with a Si base for comparison. All four epitaxial-base profiles yield transistors with DC properties suitable for high-speed logic applications in the 77-K environment. The differences between the low-temperature DC characteristics of Si and SiGe transistors are highlighted both theoretically and experimentally. A performance tradeoff associated with the use of an intrinsic spacer layer to reduce parasitic leakage at low temperatures and the consequent base resistance degradation due to enhanced carrier freeze-out is identified. Evidence that a collector-base heterojunction barrier effect severely degrades the current drive and transconductance of SiGe-base transistors operating at low temperatures is provided.< >

The authors report a thermal-cycle emitter process using phosphorus for the fabrication of self-aligned SiGe-base heterojunction bipolar transistors. The low thermal cycle results in extremely, narrow basewidths and preservation of lightly doped spacers in both the emitter-base and base-collector junctions for improved breakdown. Transistors with 35-nm basewidths were obtained with low emitter-base reverse leakage and a peak cutoff frequency of 73 GHz for an intrinsic base sheet resistance of 16 k Omega / Square Operator . Minimum NTL (nonthreshold logic) and ECL (emitter-coupled logic) gate delays of 28 and 34 ps, respectively were obtained with these devices.< >

For pt.I see ibid., vol.40, no.3, p.525-41 (1993). The circuit performance issues associated with optimizing epitaxial Si- and SiGe-base bipolar technology for the liquid-nitrogen temperature environment are examined in detail. It is conclusively demonstrated that the notion that silicon-based bipolar circuits perform poorly at low temperatures is untrue. Transistor frequency response is examined both theoretically and experimentally, with particular attention given to the differences between SiGe and Si devices as a function of temperature. ECL and NTL ring oscillator circuits were fabricated for each of the four profiles described in pt.I. The minimum ECL gate delay for a SiGe base is essentially unchanged from its room-temperature value. ASTAP models were used to explore circuit operation under typical wire loading. The results indicate that epitaxial-base bipolar technology offers significant leverage for future cryogenic applications.< >

The authors have developed a planar, self-aligned, epitaxial Si or SiGe-base bipolar technology and explored intrinsic profile design leverage for high-performance devices in three distinct areas: transit time reduction, collector-base (CB) junction engineering, and emitter-base (EB) junction engineering. High f/sub T/ Si (30-50 GHz) and SiGe (50-70 GHz) epi-base devices were integrated with trench isolation and polysilicon load resistors to evaluate ECL (emitter coupled logic) circuit performance. A 15% enhancement in ECL circuit performance was observed for SiGe relative to Si devices with similar base doping profiles in a given device layout. Minimum SiGe-base ECL gate delays of 24.6 ps (8 mW) were obtained. Lightly doped spacers were positioned in both the EB and CB junctions to tailor junction characteristics (leakage, tunneling, and avalanche breakdown), reduce junction capacitances, and thereby obtain an overall performance improvement.< >

The authors report the operation of emitter coupled logic (ECL) circuits at liquid-nitrogen temperature using self-aligned epitaxial SiGe-base bipolar transistors. A minimum ECL gate delay of 28.1 ps at 84 K was measured; this is essentially unchanged from the room-temperature value of 28.8 ps at 310 K. This delay number was achieved under full logic-swing (500-mV) conditions and represents an improvement of greater than a factor of 2 over the best reported value for 84 K operation. Lower-power ECL circuits have switching speeds as fast as 51 ps at 2.2 mW (112-fJ power-delay product) at 84 K. These results suggest that silicon-based bipolar technology is suitable for very-high-speed applications in cryogenic computer systems.< >

We give the first demonstration that a properly designed silicon bipolar technology can achieve faster unloaded circuit speed at liquid-nitrogen temperature than at room temperature. Transistors were fabricated using a reduced-temperature process employing an in situ arsenic-doped polysilicon emitter contact, a lightly phosphorus-doped epitaxial emitter-cap layer, and a graded SiGe base. At 84 K, transistors have a current gain of 500, with a cutoff frequency of 61 GHz, and a maximum oscillation frequency of 50 GHz. ECL circuits switch at a record 21.9 ps at 84 K, 3.5-ps faster than at room temperature. Circuits which were optimized for low-power operation achieve a minimum power-delay product of 61 fJ (41.3 ps at 1.47 mW), nearly a factor of two smaller than the best achieved to date at 84 K. The unprecedented performance of these transistors suggests that SiGe-base bipolar technology is a promising candidate for cryogenic applications requiring the fastest possible devices together with the processing maturity and integration level achievable with silicon fabrication.< >

The authors report the experimental observation of a novel effect in SiGe heterojunction bipolar transistors (HBTs) with graded bases which results in a significant emitter-base bias dependence of the current gain. The nonideal collector current is caused by the interaction of the bias dependence of the emitter-base space-charge region width and the exponential dependence of the collector current on the germanium concentration at the edge of the space-charge region. The resulting current gain rolloff must be taken into account for accurate modeling of bipolar transistors with bandgap grading in the base.< >