We investigate the reliability issues associated with the application of CMOS devices contained within an advanced SiGe HBT BiCMOS technology to emerging cryogenic space electronics (e.g., down to 43 K, for Lunar missions). Reduced temperature operation improves CMOS device performance (e.g., transconductance, carrier mobility, subthreshold swing, and output current drive), as expected. However, operation at cryogenic temperatures also causes serious device reliability concerns, since it aggravates hot-carrier effects, effectively decreasing the inferred device lifetime significantly, especially at short gate lengths. In the paper, hot-carrier effects are demonstrated to be a stronger function of the device gate length than the temperature, suggesting that significant trade-offs between the gate length and the operational temperature must be made in order to ensure safe and reliable operation over typical projected mission lifetimes in these hostile environments.

A robust, time-dependent methodology is used to investigate impact-ionization-induced mixed-mode reliability stress (the simultaneous application of high J/sub E/ and high V/sub CB/) in advanced SiGe HBTs. We present comprehensive stress data on second-generation 120-GHz SiGe HBTs, and use specially designed test structures with variable emitter-to-shallow trench spacing to shed light on the resultant damage mechanisms. We also explore the impact of mixed-mode stress on low frequency noise, ac performance, high-temperature device characteristics, and employ two-dimensional calibrated MEDICI simulations using the hot carrier injection current technique to better understand the physical damage locations.

We investigate, for the first time, the design and implementation of a high-slew rate op-amp in SiGe BiCMOS technology capable of operation across very wide temperature ranges, and down to deep cryogenic temperatures. We achieve the first monolithic op-amp (for any material system) capable of operating reliably down to 4.3 K. Two variants of the SiGe BiCMOS op-amp were implemented using alternative biasing schemes, and the effects of temperature on these biasing schemes, and their impact on the overall op-amp performance, is investigated.

The inverse-mode operational regime of silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) has to date been largely ignored and is typically dismissed as a viable possibility for circuit applications due to the general perception of its limited dc and ac performance capabilities. In this paper, the inverse-mode performance of four distinct generations of SiGe HBTs is investigated and is found to improve impressively with generational scaling. The physics behind these scaling-induced improvements is examined in detail using a combination of measurements and calibrated simulations. A novel lateral dependence of the inverse-mode base current is identified and is shown to potentially present new opportunities for even larger improvements in inverse-mode performance in SiGe HBTs. A record peak f T in inverse mode of 25 GHz is reported for a prototype fourth-generation device

We present the first investigation of the optimal implementation of SiGe BiCMOS precision voltage references for extreme temperature range applications (+120 degC to -180 degC and below). We have developed and fabricated two unique Ge profiles optimized specifically for cryogenic operation, and for the first time compare the impact of Ge profile shape on precision voltage reference performance down to -180 degC. Our best case reference achieves a 28.1 ppm/ degC temperature coefficient over +27 degC to -180 degC, more than adequate for the intended lunar electronics applications

We present a new ldquocurrent-sweeprdquo stress methodology for quantitatively assessing the mixed-mode reliability (simultaneous application of high current and high voltage) of advanced silicon-germanium (SiGe) HBTs. This electrical-stress methodology allows one to quickly obtain the complete ldquodamage spectrumrdquo of a given device from a particular technology platform, enabling better understanding of the complex voltage, current, and temperature interdependence associated with electrical stress and burn-in of advanced transistors. We consistently observe three distinct regions of mixed-mode damage in SiGe HBTs and find that hot-carrier-induced damage can be introduced into SiGe HBTs under surprisingly modest mixed-mode-stress conditions. For more aggressively scaled technology generations, a larger percentage of hot carriers generated in the collector-base junction are able to travel to and hence damage the emitter-base (EB) spacer, leading to enhanced forward-mode base-current leakage under stress. A new self-heating-induced mixed-mode-annealing effect is observed for the first time under specific high-voltage- and high-current-stress conditions, and a new damage mechanism is observed under very high-voltage and high-current conditions. Finally, as an example of the utility of our stress methodology, we quantify the composite mixed-mode damage spectrum of a commercial third-generation (200 GHz) SiGe HBT. We find that if devices are stressed with either voltage or current alone during burn-in, they can easily withstand extreme overstress conditions. Unfortunately, devices can easily be damaged when stressed with a combination of stress voltage and current, and this has significant implications for the lifetime prediction under realistic mixed-signal-circuit operating conditions.

Using mixed-mode annealing to help evaluate the responses of modern bipolar transistors, we compare the damage processes associated with X-ray irradiation-induced and hot carrier-induced damage in SiGe HBTs. Stress and radiation measurements indicate that the by-products of both X-ray irradiation-induced and hot carrier-induced trap reactions are identical. We use calculations to better understand the operative damage mechanisms, and find that a hydrogen reaction-diffusion model can predict the observed characteristics of our measurements. Calculations indicate that the transport of hydrogen molecules inside the emitter-base oxides determines the trap generation and recovery processes.

We assess SiGe HBTs for emerging mixed-signal cryogenic circuits designed to operate on the Moon without ambient heating or cooling (from +120C to as low as -230C), focusing of potential reliability issues. Comprehensive mixed-mode reliability stress data for these SiGe HBTs were measured from 300 K to 85 K. We extract the thermal resistance over temperature to evaluate the impact of the self-heating at low temperatures, explore the low-frequency noise performance at room temperature and cryogenic temperatures as a function of stress condition, and examine the impact of cooling on breakdown voltage and operating point instabilities for mixed-signal circuits.

This work presents the results of the effects of mechanical planar biaxial tensile strain applied, post-fabrication, to Si/SiGe HBT BiCMOS technology. Planar biaxial tensile strain was applied to the samples, which included both standard Si CMOS, SiGe HBTs, and an epitaxial-base Si BJT control, for both first and second generation SiGe technologies. Device characterization was performed before and after strain, under identical conditions. At a strain level of 0.123%, increases in the saturated drain current as well as effective mobility are observed for the nFETs. The Si BJT/SiGe HBTs showed a consistent decrease in collector current and hence current gain after strain.

A robust, time-dependent stress methodology for investigating "mixed-mode" (simultaneous high J/sub C/ and high V/sub CB/) reliability degradation in advanced SiGe HBTs is introduced. We present comprehensive stress data on scaled 120 GHz SiGe HBTs, and use specially designed test structures with variable emitter-to-shallow trench spacing to shed light on the resultant damage mechanisms. We also employ calibrated MEDICI simulations using the hot carrier injection current technique to better understand the damage mechanisms, and conclude by assessing the impact of mixed-mode stress in aggressively scaled 200 GHz SiGe HBTs.