• Transactions on Electrical and Electronic Materials
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• 제11권6호
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• pp.271-274
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• 2010

We examined the tunneling current behaviors of magnetic tunneling junction (MTJ) cells utilizing conductive atomic force microscopy (AFM) interfaced with an external magnetic field generator. By introducing current through coils, a magnetic field was generated and then controlled by a current feedback circuit. This enabled the characterization of the tunneling current under various magnetic fields. The current-voltage (I-V) property was measured using a contact mode AFM with a metal coated conducting cantilever at a specific magnetic field intensity. The obtained magnetoresistance (MR) ratios of the MTJ cells were about 21% with no variation seen from the different sized MTJ cells; the value of resistance $\times$ area (RA) were 8.5 K-12.5 K $({\Omega}{\mu}m^2)$. Since scanning probe microscopy (SPM) performs an I-V behavior analysis of ultra small size without an extra electrode, we believe that this novel characterization method utilizing an SPM will give a great benefit in characterizing MTJ cells. This novel method gives us the possibility to measure the electrical properties of ultra small MTJ cells, namely below $0.1\;{\mu}m\;{\times}\;0.1\;{\mu}m$.

• Journal of Magnetics
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• 제14권1호
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• pp.11-14
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• 2009

We investigated the I-V curves and differential tunneling conductance of two, CoFeB/MgO/CoFeB-based, magnetic tunnel junctions (MTJs): one with a low tunneling magnetoresistance (TMR; 22%) and the other with a high TMR (352%). This huge TMR difference was achieved by different MgO sputter conditions rather than by different annealing or deposition temperature. In addition to the TMR difference, the junction resistances were much higher in the low-TMR MTJ than in the high-TMR MTJ. The low-TMR MTJ showed a clear parabolic behavior in the dI/dV-V curve. This high resistance and parabolic behavior were well explained by the Simmons' simple barrier model. However, the tunneling properties of the high-TMR MTJ could not be explained by this model. The characteristic tunneling properties of the high-TMR MTJ were a relatively low junction resistance, a linear relation in the I-V curve, and conduction dips in the differential tunneling conductance. We explained these features by applying the coherent tunneling model.

• Journal of Magnetics
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• 제6권4호
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• pp.126-128
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• 2001

The effect of rapid thermal anneal (RTA) has been investigated on the properties of an FeMn exchange-biased magnetic tunnel junction (MTJ) using magnetoresistance and I-V measurements and transmission electron microscopy (TEM). The tunneling magnetoresistance (TMR) in an as-grown MTJ is found to be ∼27%, while the TMR in MTJs annealed by RTA increases with annealing temperature up to 300$\^{C}$, reaching ∼46%. A TEM image reveals a structural change in the interface of A1$_2$O$_3$layer for the MTJ annealed by RTA at 300$\^{C}$. The oxide barrier parameters are found to vary abruptly with annealing time within a few ten seconds. Our results demonstrate that the present RTA enhances the magnetoresistive properties of MTJs.

• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• 제17권3호
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• pp.458-464
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• 2017

A magnetic tunnel junction (MTJ) based ternary content addressable memory (TCAM) is proposed which provides non-volatility. A unit cell of the TCAM has two MTJ's and 4.875 transistors, which allows the realization of TCAM in a small area. The equivalent resistance of parallel connected multiple unit cells is compared with the equivalent resistance of parallel connected multiple reference resistance, which provides the averaging effect of the variations of device characteristics. This averaging effect renders the proposed TCAM to be variation-tolerant. Using 65-nm CMOS model parameters, the operation of the proposed TCAM has been evaluated including the Monte-Carlo simulated variations of the device characteristics, the supply voltage variation, and the temperature variation. With the tunneling magnetoresistance ratio (TMR) of 1.5 and all the variations being included, the error probability of the search operation is found to be smaller than 0.033-%.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.387-387
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• 2013

Currently, the flash memory and the dynamic random access memory (DRAM) have been used in a variety of applications. However, the downsizing of devices and the increasing density of recording medias are now in progress. So there are many demands for development of new semiconductor memory for next generation. Magnetic random access memory (MRAM) is one of the prospective semiconductor memories with excellent features including non-volatility, fast access time, unlimited read/write endurance, low operating voltage, and high storage density. MRAM is composed of magnetic tunnel junction (MTJ) stack and complementary metal-oxide semiconductor (CMOS). The MTJ stack consists of various magnetic materials, metals, and a tunneling barrier layer. Recently, MgO thin films have attracted a great attention as the prominent candidates for a tunneling barrier layer in the MTJ stack instead of the conventional Al2O3 films, because it has low Gibbs energy, low dielectric constant and high tunneling magnetoresistance value. For the successful etching of high density MRAM, the etching characteristics of MgO thin films as a tunneling barrier layer should be developed. In this study, the etch characteristics of MgO thin films have been investigated in various gas mixes using an inductively coupled plasma reactive ion etching (ICPRIE). The Cl2/Ar, CH3OH/Ar, and CH4/Ar gas mix were employed to find an optimized etching gas for MgO thin film etching. TiN thin films were employed as a hard mask to increase the etch selectivity. The etch rates were obtained using surface profilometer and etch profiles were observed by using the field emission scanning electron microscopy (FESEM).

• 한국자기학회:학술대회 개요집
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• 한국자기학회 2000년도 International Symposium on Magnetics The 2000 Fall Conference
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• pp.325-326
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• 2000

Low temperature diagnosis was performed as a probe for the integrity of MTJ(Magnetic tunnel junction) process which is optimised for the given plasma oxidation condition. TMR ratio increased slowly with decreasing temperature than that expected from spin wave exitation theory〔1〕. Junction resistance (RJ) does not follow T$\^$-$\frac{1}{2}$/ law below 200 K, indicating another conduction path besides spin polarized tunneling is involved at low temperature. Temperature dependence of conductance dip and bias dependence of TMR with temperature are discussed, from which the quality of tunnel barrier and its formation process can be inferred.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제44권1호
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• pp.1-7
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• 2007

MTJ (Magnetic Tunneling Junction) 소자는 불 (Boolean) 연산을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 자신의 출력 정보를 저장하는 비휘발성 소자이다. 기존의 트랜지스터로 구성된 논리 연산자를 MTJ 소자로 대체함으로써, 조합논리 회로와 순차논리 회로로 구성된 디지털 논리 회로를 자기논리 (magneto-logic) 회로로 대체 가능하다. 또한 자기논리 회로는 비휘발성 논리 소자를 사용함으로써, 회로 면적 면에서 우수하고 전원이 꺼져도 정보를 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 자기논리 회로의 예로 3비트 업/다운 카운터를 설계하였고 그 동작을 이전 논문에서 제안된 바 있는 macro-model을 보완 적용하여 검증하였다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제45권12호
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• pp.1-7
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• 2008

Magnetic Tunnel Junction (MTJ)는 비휘발성 소자로서 그간 기억소자분야에 국한되어왔으나, 최근 다양한 연구들에 의하여 자기논리 (magneto-logic) 회로에 사용되면서 기존 트랜지스터 기반의 논리연산자를 대체할 수 있는 가능성을 보이고 있으며, 논리회로까지 확장 적용되어 스핀전자공학 분야의 새로운 장을 열 것으로 기대되어지고 있다. 자체 저장 능력을 갖는 MTJ 소자로 구현된 자기논리 회로는 전원이 꺼져도 정보가 그대로 유지되고, 또한, 불 (Boolean) 연산 수행 시 단순한 입력변화만으로 다양한 논리 연산자 구현이 가능한 구조적인 유연성을 보이므로, 물리적으로 완성된 회로 내에서 얼마든지 재구성이 가능한 자기논리 회로를 구현할 수 있다. 본 논문에서는 단순한 조합논리나 순차논리 회로의 동작을 넘어서, 임의의 3비트 논리회로 동작을 모두 수행할 수 있는 자기논리 회로를 제안한다. 이를 위해 3비트 논리회로 중에서 최대의 복잡성을 갖는 논리회로를 MTJ 소자를 사용하여 설계하였고, 그 동작을 이전 논문에서 제안된 바 있는 macro-model을 보완 적용하여 검증하였다. 제안된 회로는 3비트로 구현할 수 있는 가장 복잡한 논리회로의 동작을 수행할 뿐만 아니라, 전류구동회로의 게이트 신호들을 변화시킴으로써 임의의 3비트 논리 회로의 동작을 모두 수행하는 것이 가능하다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제44권9호
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• pp.10-17
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• 2007

기존의 트랜지스터 기반의 논리 연산자를 비휘발성 소자인 MTJ(Magnetic Tunneling Junction)로 대체하는 자기논리(magneto-logic) 회로는 그동안 기억 소자 분야에만 국한되어온 MTJ를 스핀전자공학 분야의 새로운 응용으로 논리 회로까지 확장하여 적용 가능하게 한다. 자기논리 회로는 회로 면적 면에서 우수하고 전원이 꺼져도 정보를 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 불(Boolean) 연산을 수행함에 있어서 유연성을 보여, 단순히 입력을 바꾸는 것만으로도 한 MTJ 소자로 모든 논리 연산자를 구현 가능하게 한다. 이로써 물리적으로 완성된 회로 내에서, 재구성 가능한 자기논리 회로를 설계할 수 있다. 본 논문에서는 종래의 다층 입력 구조의 MTJ에 비해, 공정이 간단하고, 보다 유연한 함수 구현 능력을 갖는 단층 입력 구조의 새로운 MTJ 소자를 제안하며, 그 예로, 4비트 그레이 카운터를 설계하여 그 동작을 이전 논문에서 제안된 바 있는 macro-model을 보완 적용하여 검증하였다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제41권8호
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• pp.105-113
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• 2004

MRAM (Magneto-resistive Random Access Memory)은 자성체의 스핀 방향을 정보원으로 하는 비휘발성 메모리로 magneto-resistance 물질을 정보 저장 소자로 사용한다. 본 논문에서는 MRAM 시뮬레이션시 MTJ (Magnetic Tunneling Junction)의 hysteretic 특성, asteroid 특성, R-V 특성을 HSPICE에서 재현할 수 있는 새로운 macro-model을 제안하고 HSPICE에 적용하여 그 정확도를 검증하였다. 또한 종래의 reference cell 회로에 비하여 정확한 중간 저항 값을 유지하는 새로운 reference cell 회로를 제안하고 이를 본 논문에서 제안한 macro-model을 이용하여 검증하였다.