We investigated the effect of interfacial nitrogen (N) defects on tunnel magnetoresistance (TMR) in Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions (MTJs) which are the basic building block of magnetoresistive random access memory. The N atoms are predicted to originate from the SiN covering for antioxidation. It was found from first-principles quantum-transport calculations that the N defects significantly worsen the TMR. This is particularly evident in the MTJ models with an additional N atom at the MgO/Fe interface, because a conduction channel appears in the antiparallel magnetization configuration due to the N defects. The TMR is directly related to the read error rate of data and the scaling of the memory cell. Therefore, the prevention of nitrogen contamination during the manufacturing processes is a prerequisite for maintaining high performance.

1.
T.
Kawahara
,
R.
Takemura
,
K.
Miura
,
J.
Hayakawa
,
S.
Ikeda
,
Y. M.
Lee
,
R.
Sasaki
,
Y.
Goto
,
K.
Ito
,
T.
Meguro
,
F.
Matsukura
,
H.
Takahashi
,
H.
Matsuoka
, and
H.
Ohno
,
IEEE J. Solid-State Circuits
43
,
109
(
2008
).
2.
K.
Lee
,
J. H.
Bak
,
Y. J.
Kim
,
C. K.
Kim
,
A.
Antonyan
,
D. H.
Chang
,
S. H.
Hwang
,
G. W.
Lee
,
N. Y.
Ji
,
W. J.
Kim
,
J. H.
Lee
,
B. J.
Bae
,
J. H.
Park
,
I. H.
Kim
,
B. Y.
Seo
,
S. H.
Han
,
Y.
Ji
,
H. T.
Jung
,
S. O.
Park
,
O. I.
Kwon
,
J. W.
Kye
,
Y. D.
Kim
,
S. W.
Pae
,
Y. J.
Song
,
G. T.
Jeong
,
K. H.
Hwang
,
G. H.
Koh
,
H. K.
Kang
,
E. S.
Jung
,
S. L.
Tan
,
C. S.
Seet
,
Y. S.
You
,
S. T.
Woo
,
E.
Quek
,
S. Y.
Siah
, and
J.
Pellerin
, in
IEEE International Electron Devices Meeting
(
IEEE
,
2019
), pp.
2.2.1
2.2.4
.
3.
Z.
Wang
,
X.
Hao
,
P.
Xu
,
L.
Hu
,
D.
Jung
,
W.
Kim
,
K.
Satoh
,
B.
Yen
,
Z.
Wei
,
L.
Wang
,
J.
Zhang
, and
Y.
Huai
, in
Extended Abstract of IEEE International Memory Workshop
(
IEEE
,
2020
), p.
1
.
4.
T.
Endoh
,
H.
Honjo
,
K.
Nishioka
, and
S.
Ikeda
, in
IEEE Symposium on VLSI Technology
(
IEEE
,
2020
), pp.
1
2
.
5.
S.
Ikeda
,
J.
Hayakawa
,
Y.
Ashizawa
,
Y. M.
Lee
,
K.
Miura
,
H.
Hasegawa
,
M.
Tsunoda
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
082508
(
2008
).
6.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H. D.
Gan
,
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
J.
Hayakawa
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
9
,
721
(
2010
).
7.
S.-E.
Lee
,
J.-U.
Baek
, and
J.-G.
Park
,
Sci. Rep.
7
,
11907
(
2017
).
8.
J. M.
Slaughter
,
R. W.
Dave
,
M.
Durlam
,
G.
Kerszykowski
,
K.
Smith
,
K.
Nagel
,
B.
Feil
,
J.
Calder
,
M. D.
Herrera
,
B.
Garni
, and
S.
Tehrani
, in
IEEE International Electron Devices Meeting
(
IEEE
,
2005
), pp.
873
876
.
9.
W. H.
Butler
,
X.-G.
Zhang
,
T. C.
Schulthess
, and
J. M.
MacLaren
,
Phys. Rev. B
63
,
054416
(
2001
).
10.
J.
Mathon
and
A.
Umerski
,
Phys. Rev. B
63
,
220403
(
2001
).
11.
B.
Yang
,
L.
Tao
,
L.
Jiang
,
W.
Chen
,
P.
Tang
,
Y.
Yan
, and
X.
Han
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
054019
(
2018
).
12.
T.
Miyazaki
and
N.
Tezuka
,
J. Magn. Magn. Mater.
139
,
L231
(
1995
).
13.
J. S.
Moodera
,
L. R.
Kinder
,
T. M.
Wong
, and
R.
Meservey
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
3273
(
1995
).
14.
X. F.
Han
,
M.
Oogane
,
H.
Kubota
,
Y.
Ando
, and
T.
Miyazaki
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
283
(
2000
).
15.
D.
Wang
,
C.
Nordman
,
J. M.
Daughton
,
Z.
Qian
, and
J.
Fink
,
IEEE Trans. Magn.
40
,
2269
(
2004
).
16.
S. S. P.
Parkin
,
C.
Kaiser
,
A.
Panchula
,
P. M.
Rice
,
B.
Hughes
,
M.
Samant
, and
S.
Yang
,
Nat. Mater.
3
,
862
(
2004
).
17.
S.
Yuasa
,
A.
Fukushima
,
T.
Nagahama
,
K.
Ando
, and
Y.
Suzuki
,
Jpn. J. Appl. Phys.
43
,
L588
(
2004
).
18.
S.
Yuasa
,
A.
Fukushima
,
T.
Nagahama
,
K.
Ando
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Mater.
3
,
868
(
2004
).
19.
L.
Jiang
,
H.
Naganuma
,
M.
Oogane
, and
Y.
Ando
,
Appl. Phys. Express
2
,
083002
(
2009
).
20.
H. L.
Meyerheim
,
R.
Popescu
,
N.
Jedrecy
,
M.
Vedpathak
,
M.
Sauvage-Simkin
,
R.
Pinchaux
,
B.
Heinrich
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. B
65
,
144433
(
2002
).
21.
L.
Plucinski
,
Y.
Zhao
, and
B.
Sinkovic
,
Phys. Rev. B
75
,
214411
(
2007
).
22.
C.
Wang
,
A.
Kohn
,
S. G.
Wang
,
L. Y.
Chang
,
S.-Y.
Choi
,
I.
Kirkland
,
A. K.
Petford-Long
, and
R. C. C.
Ward
,
Phys. Rev. B
82
,
024428
(
2010
).
23.
M.
Cantoni
,
S.
Boseggia
,
D.
Petti
,
A.
Cattoni
, and
R.
Bertacco
,
Appl. Surf. Sci.
305
,
167
172
(
2014
).
24.
X.-G.
Zhang
,
W. H.
Butler
, and
A.
Bandyopadhyay
,
Phys. Rev. B
68
,
092402
(
2003
).
25.
B. Y.
Yavorsky
and
I.
Mertig
,
Phys. Rev. B
74
,
174402
(
2006
).
26.
C.
Heiliger
,
P.
Zahn
, and
I.
Mertig
,
J. Magn. Magn. Mater.
316
,
478
480
(
2007
).
27.
B. A.
Ravana
,
A. A.
Shokri
, and
A.
Yazdani
,
Solid State Commun.
150
,
214
218
(
2010
).
28.
E.
Młyńczak
,
K.
Freindl
,
N.
Spiridis
, and
J.
Korecki
,
J. Appl. Phys.
113
,
024320
(
2013
).
29.
S.
Smidstrup
,
S.
Smidstrup
,
T.
Markussen
,
P.
Vancraeyveld
,
J.
Wellendorff
,
J.
Schneider
,
T.
Gunst
,
B.
Verstichel
,
D.
Stradi
,
P. A.
Khomyakov
,
U. G.
Vej-Hansen
,
M.-E.
Lee
,
S. T.
Chill
,
F.
Rasmussen
,
G.
Penazzi
,
F.
Corsetti
,
A.
Ojanperä
,
K.
Jensen
,
M. L. N.
Palsgaard
,
U.
Martinez
,
A.
Blom
,
M.
Brandbyge
, and
K.
Stokbro
,
J. Phys.: Condens. Matter
32
,
015901
(
2020
).
30.
S.
Smidstrup
,
D.
Stradi
,
J.
Wellendorff
,
P. A.
Khomyakov
,
U. G.
Vej-Hansen
,
M.
Lee
,
T.
Ghosh
,
E.
Jónsson
,
H.
Jónsson
, and
K.
Stokbro
,
Phys. Rev. B
96
,
195309
(
2017
).
31.
M.
Brandbyge
,
J. L.
Mozos
,
P.
Ordejón
,
J.
Taylor
, and
K.
Stokbro
,
Phys. Rev. B
65
,
165401
(
2002
).
32.
D.
Stradi
,
U.
Martinez
,
A.
Blom
,
M.
Brandbyge
, and
K.
Stokbro
,
Phys. Rev. B
93
,
155302
(
2016
).
33.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
34.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1396
(
1997
).
35.
M. J.
van Setten
,
M.
Giantomassi
,
E.
Bousquet
,
M. J.
Verstraete
,
D. R.
Hamann
,
X.
Gonze
, and
G.-M.
Rignanese
,
Comput. Phys. Comm.
226
,
39
(
2018
).
36.
D. R.
Hamann
,
Phys. Rev. B
88
,
085117
(
2013
).
37.
Z.
Bai
,
L.
Shen
,
Q.
Wu
,
M.
Zeng
,
J.-S.
Wang
,
G.
Han
, and
Y. P.
Feng
,
Phys. Rev. B
87
, 014114 (
2013
).
You do not currently have access to this content.