This paper presents reconfigurable RF integrated circuits (ICs) for a compact implementation of an intelligent RF front-end for multiband and multistandard applications. Reconfigurability has been addressed at each level starting from the basic elements to the RF blocks and the overall front-end architecture. An active resistor tunable from 400 to 1600 /spl Omega/ up to 10 GHz has been designed and an equivalent model has been extracted. A fully tunable active inductor using a tunable feedback resistor has been proposed that provides inductances between 0.1-15 nH with Q>50 in the C-band. To demonstrate reconfigurability at the block level, voltage-controlled oscillators with very wide tuning ranges have been implemented in the C-band using the proposed active inductor, as well as using a switched-spiral resonator with capacitive tuning. The ICs have been implemented using 0.18-/spl mu/m Si-CMOS and 0.18-/spl mu/m SiGe-BiCMOS technologies.

Foreword B.S. Meyerson INTRODUCTION The Big Picture J.D. Cressler A Brief History of the Field J.D. Cressler SiGe AND Si STRAINED-LAYER EPITAXY Overview: SiGe and Si Strained-Layer Epitaxy J.D. Cressler Strained SiGe and Si Epitaxy B. Tillack and P. Zaumseil Si/SiGe(C) Eptiaxy by RTCVD D. Dutartre, F. Deleglise, C. Fellous, L. Rubaldo, and A. Talbot MBE Growth Techniques M. Oehme and E. Kasper UHV/CVD Growth Techniques T.N. Adam Defects and Diffusion in SiGe and Strained Si A.R. Peaker and V. Markevich Stability Constraints in SiGe Epitaxy A. Fischer Electronic Properties of Strained Si/SiGe and Si1-yCy Alloys J.L. Hoyt Carbon Doping of SiGe H.J. Osten Contact Metallization on Silicon-Germanium C.K. Maiti Selective Etching Techniques for SiGe/Si S. Monfray, S. Borel, and T. Skotnicki FABRICATION OF SiGe HBT BiCMOS TECHNOLOGY Overview: Fabrication of SiGe HBT BiCMOS Technology J.D. Cressler Device Structures and BiCMOS Integration D.L. Harame SiGe HBTs on CMOS-Compatible SOI J. Cai and T.H. Ning Passive Components J.N. Burghartz Industry Examples at State-of-the-Art: IBM A.J. Joseph and J.S. Dunn Industry Examples at State-of-the-Art: Jazz P.H.G. Kempf Industry Examples at State-of-the-Art: Hitachi K. Washio Industry Examples at State-of-the-Art: Infineon T.F. Meister, H. Schafer, W. Perndl, and J. Bock Industry Examples at State-of-the-Art: IHP D. Knoll Industry Examples at State-of-the-Art: ST A. Chantre, M. Laurens, B. Szelag, H. Baudry, P. Chevalier, J. Mourier, G. Troillard, B. Martinet, M. Marty, and A. Monroy Industry Examples at State-of-the-Art: Texas Instruments B. El-Kareh, S. Balster, P. Steinmann, and H. Yasuda Industry Examples at State-of-the-Art: Philips R. Colclaser and P. Deixler SiGe HBTs Overview: SiGe HBTs J.D. Cressler Device Physics J.D. Cressler Second-Order Effects J.D. Cressler Low-Frequency Noise G. Niu Broadband Noise D.R. Greenberg Microscopic Noise Simulation G. Niu Linearity G. Niu pnp SiGe HBTs J.D. Cressler Temperature Effects J.D. Cressler Radiation Effects J.D. Cressler Reliability Issues J.D. Cressler Self-Heating and Thermal Effects J-S. Rieh Device-Level Simulation G. Niu SiGe HBT Performance Limits G. Freeman, A. Stricker, J-S. Rieh, and D.R. Greenberg HETEROSTRUCTURE FETs Overview: Heterostructure FETs J.D. Cressler Biaxial Strained Si CMOS K. Rim Uniaxial Stressed Si MOSFET S.E. Thompson SiGe-Channel HFETs S. Banerjee Industry Examples at State-of-the-Art: Intel's 90 nm Logic Technologies S.E. Thompson OTHER HETEROSTRUCTURE DEVICES Overview: Other Heterostructure Devices J.D. Cressler Resonant Tunneling Devices S. Tsujino, D. Grutzmacher, and U. Gennser IMPATT Diodes E. Kasper and M. Oehme Engineered Substrates for Electronic and Optoelectronic Systems E.A. Fitzgerald Self-Assembling Nanostructures in Ge(Si)-Si Heteroepitaxy R. Hull OPTOELECTRONIC COMPONENTS Overview: Optoelectronic Components J.D. Cressler Si-SiGe LEDs K.L. Wang, S. Tong, and H.J. Kim Near-Infrared Detectors L. Colace, G. Masini, and G. Assanto Si-Based Photonic Transistors for Integrated Optoelectronics W.X. Ni and A. Elfving Si-SiGe Quantum Cascade Emitters D.J. Paul MEASUREMENT AND MODELING Overview: Measurement and Modeling J.D. Cressler Best-Practice AC Measurement Techniques R.A. Groves Industrial Application of TCAD for SiGe Development D.C. Sheridan, J.B. Johnson, and R. Krishnasamy Compact Modeling of SiGe HBTs: HICUM M. Schroter Compact Modeling of SiGe HBTs: MEXTRAM S. Mijalkovic CAD Tools and Design Kits S.E. Strang Parasitic Modeling and Noise Mitigation Approaches in Silicon Germanium RF Designs R. Singh Transmission Lines on Si Y.V. Tretiakov Improved De-Embedding Techniques Q. Liang CIRCUITS AND APPLICATIONS Overview: Circuits and Applications J.D. Cressler SiGe as an Enabler for Wireless Communications Systems L.E. Larson and D.Y.C. Lie LNA Optimization Strategies Q. Liang Linearization Techniques L.C.N. de Vreede and M.P. van der Heijden SiGe MMICs H. Schumacher SiGe Millimeter-Wave ICs J-F. Luy Wireless Building Blocks Using SiGe HBTs J.R. Long Direct Conversion Architectures for SiGe Radios S. Chakraborty and J. Laskar RF MEMS Techniques in Si/SiGe J. Papapolymerou Wideband Antennas on Silicon M.M. Tentzeris and R.L. Li Packaging Issues for SiGe Circuits K. Lim, S. Pinel, and J. Laskar Industry Examples at State-of-the-Art: IBM D.J. Friedman and M. Meghelli Industry Examples at State-of-the-Art: Hitachi K. Washio Industry Examples at State-of-the-Art: ST D. Belot APPENDICES Properties of Silicon and Germanium J.D. Cressler The Generalized Moll-Ross Relations J.D. Cressler Integral Charge-Control Relations M. Schroter Sample SiGe HBT Compact Model Parameters R.M. Malladi INDEX

A comprehensive investigation of the impact of Ge profile shape as well as the scaling of collector and base doping profiles on high-injection heterojunction barrier effects in SiGe HBTs has been conducted over the -73-85/spl deg/C temperature range. The onset of Kirk effect at high current densities is shown to expose the Si/SiGe heterojunction in the collector-base space charge region, thereby inducing a conduction band barrier which negatively impacts the collector and base currents as well as the dynamic response, leading to a premature roll-off in both /spl beta/ and f/sub T/. In light of this, careful profile optimization is critical for emerging SiGe HBT circuit applications, since they typically operate at high current densities to realize maximum performance. We first explore the experimental consequences and electrical signature of these barrier effects over the 200-358 K temperature range for a variety of Ge profiles from an advanced UHV/CVD SiGe HBT technology. We then use extensive simulations which were calibrated to measured results to explore the sensitivity of these barrier effects to both the Ge profile shape and collector profile design, and hence investigate the optimum profile design points as a function of vertical scaling.

This paper presents the first investigation of the physical origins of the observed variable proton tolerance in multiple SiGe HBT BiCMOS technology generations. We use the combination of an extensive set of newly measured proton data on distinct SiGe HBT BiCMOS technology generations, detailed calibrated 2-D MEDICI simulations for both the SiGe HBT and Si CMOS devices, as well as reverse-bias emitter-base and forward-bias electrical stress data to aid the analysis. We find that the scaling-induced increase in the emitter-base electric field under the spacer oxide in the SiGe HBT is primarily responsible for the degraded radiation tolerance with technology scaling, while the decrease in shallow-trench thickness is largely responsible for the improved nFET radiation tolerance with technology scaling.

The SiGe heterostructure device simulation tool SCORPIO is used to investigate profile optimization in SiGe HBT's for high-performance analog circuit applications. After calibrating SCORPIO to measured data, the effects of germanium profile shape on current gain, cut-off frequency, Early voltage and maximum oscillation frequency are compared over the temperature range of 200-360 K. The impact of aggressive base profile scaling on device performance is also investigated as a function of SiGe film stability.

A new mixed-mode base current degradation mechanism is identified in bipolar transistors for the first time, which, at room temperature, induces a large I/sub B/ leakage current only after simultaneous application of both high J/sub C/ and high V/sub CB/. This new mechanism differs fundamentally from well-known I/sub B/ degradation mechanisms such as the reverse EB voltage stress, high forward current stress and damage due to ionizing radiation. Extensive measurements and two-dimensional (2-D) simulations have been used to help understand the device physics associated with this new degradation mechanism.

We present the first comprehensive investigation of neutral base recombination (NBR) in ultra-high vacuum/chemical vapor deposited (UHV/CVD) SiGe heterojunction bipolar transistors (HBT's), and its influence on the temperature characteristics of Early voltage (V/sub A/) and current gain-Early voltage product (/spl beta/V/sub A/). We show that a direct consequence of NBR in SiGe HBT's is the degradation of V/sub A/ when transistors are operated with constant-current input (forced-I/sub B/) as opposed to a constant-voltage input (forced-V/sub BE/). In addition, experimental and theoretical evidence indicates that with cooling, V/sub A/ in SiGe HBT's degrades faster than in Si bipolar junction transistors (BJT's) for forced-I/sub B/ mode of operation. Under the forced-V/sub BE/ mode of operation, however, SiGe HBT's exhibit a thermally-activated behavior for both V/sub A/ and /spl beta/V/sub A/, in agreement with the first-order theory. The differences in V/sub A/ as a function of the input bias and temperature for SiGe HBT's are accurately modeled using a modified version of SPICE. The performance of various practical SiGe HBT circuits as a function of temperature, in the presence of NBR, is analyzed using this calibrated SPICE model.

The goal of achieving terahertz (THz) transistors within the silicon material system has generated significant recent interest. In this paper, we use operating temperature as an effective way of gaining a better understanding of the performance limits of SiGe HBTs and their ultimate capabilities for achieving THz speeds. Different approaches for vertical profile scaling and reduction of parasitics are addressed, and three prototype fourth-generation SiGe HBTs are compared and evaluated down to deep cryogenic temperatures, using both dc and ac measurements. A record peak f T /f max of 463/618 GHz was achieved at 4.5 K using 130-nm lithography (309/343 GHz at 300 K), demonstrating the feasibility of reaching half-THz f T and f max simultaneously in a silicon-based transistor. The BV CEO of this cooled SiGe HBT was 1.6 V at 4.5 K (BV CBO = 5.6 V), yielding a record f T times BV CEO product of 750 GHzldrV (510 GHzldrV at 300 K). These remarkable levels of transistor performance and the associated interesting device physics observed at cryogenic temperatures in these devices provide important insights into further device scaling for THz speeds at room temperature. It is predicted in a new scaling roadmap that f T /f max of room-temperature SiGe HBTs could potentially achieve 782/910 GHz at a BV CEO of 1.1 V at the 32-nm lithographic node.

SiGe is having a major impact in device electronics. The most mature application is the SiGe BiCMOS technology which is in production throughout the world. The areas of most rapid growth are in CMOS where SiGe is being considered for a wide variety of elements including raised S/D, poly-SiGe Gates, in buffer layers to create a tensile strained Si layer, and as the conducting channel in MODFETs.

We present the results of gamma irradiation on third-generation, 200 GHz SiGe HBTs. Pre- and post-radiation dc figures-of-merit are used to quantify the tolerance of the raised extrinsic base structure to Co-60 gamma rays for varying device geometries. Additionally, the impact of technology scaling on the observed radiation response is addressed through comparisons to second generation, 120 GHz SiGe HBTs. Comparisons to previous proton-induced degradation results in these 200 GHz SiGe HBTs are also made, and indicate that the STI isolation oxide of the device shows increased degradation following Co-60 irradiation. The EB spacer oxide, on the other hand, demonstrates increased susceptibility to proton damage. Low dose rate proton testing was also performed and indicate that although there is a proton dose rate effect present in these devices, it cannot fully explain the observed trends. Similar trends have previously been observed for buried oxides and isolation oxides in several MOS technologies and have been attributed to increased charge yield in these oxides for 1.2 MeV Co-60 gamma rays when compared to 63 MeV protons.