專利名稱：檢測磁數(shù)據(jù)存儲設備中熱弛豫的可能開始的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁存儲器或數(shù)據(jù)存儲器，特別地涉及上述具有小型磁性元件，例如100nm和更小級的磁存儲器裝置。特別地，本發(fā)明涉及一種檢測磁數(shù)據(jù)存儲設備中熱弛豫的可能開始(onset)的方法和裝置。
數(shù)據(jù)存儲器中磁材料的用途被適當?shù)卮_定為數(shù)據(jù)存儲媒體(硬盤、光磁盤、軟盤、磁帶、MRAM數(shù)據(jù)存儲層/元件層等)、回讀檢測器(MR、GMR、TMR硬盤磁頭、MRAM傳感元件等)或寫入元件(硬盤，光磁盤，軟盤和磁帶寫入磁頭磁導等)。
背景技術：
近來，在硬盤記錄的區(qū)域內，面密度(或位密度)，即可存儲在記錄介質表面區(qū)域的一個單位正方形(如平方厘米)中的數(shù)值量，在磁存儲器的快速發(fā)展中成為最重要的因素。為了增加數(shù)據(jù)容量，已經實現(xiàn)了位(以及磁疇)大小的顯著減少。記錄介質的信噪比與顆粒的數(shù)目強烈相關。當成比例地減少位大小以便增加區(qū)域密度時，介質的每個位中平均顆粒體積也被減少以便維持每位中有足夠的顆粒以確?？山邮艿男旁氡取?br> 通常，由于克服材料的磁(各向異性)能量(KUV)的隨機熱波動(KBT)，有時與外磁場效應結合，使得磁鐵的磁化隨時間衰退。對于無相互作用的粒子(例如硬盤介質或MRAM存儲元件中的粒子)，在容積變得足夠小而使得熱能等于或大于磁能，在此處粒子變得超順磁，即粒子的磁化在短時間間隔內任意地切換，則上述情況就成為一個嚴重的問題。對于超順磁的限制，磁粉較小以至于其不能保持關于任意實際使用時間量的穩(wěn)定磁化，而這將導致數(shù)據(jù)損失。這種物理限制依賴溫度以及磁性材料的物理和結構特性。根據(jù)最小磁性穩(wěn)定體積的物理限制、上述超順磁限制，位或存儲元件(和磁疇)尺寸不能無限地縮小。對熱攪動敏感的顆粒磁化產生噪聲比(在硬盤中)和最后的數(shù)據(jù)損失(在硬盤和MRAM中)隨位或存儲元件有效地“自清除”的縮減信號。
使用具有大的內在各向異性常數(shù)，或大的形狀各向異性的材料(如延長的橢圓體)，能夠延遲該超順磁限制的開始。
在硬盤記錄區(qū)域內，可使用幾種策略來增強數(shù)據(jù)存儲媒體的熱穩(wěn)定性。
作為第一種策略，抗鐵磁電偶(AFC)介質，近來已經由Fujitsu和IBM公司的E.Abarra等人在J.Appl.Phys.Lett 77，(2000)中第2581頁中所寫的“具有熱固涂層的縱向記錄介質”，E.Fullerton等人在J.Appl.Phys.Lett 77，(2000)中第3806頁中所寫的“用于熱穩(wěn)定高密度記錄的抗鐵磁電偶磁介質”予以說明。上述稱作合成抗鐵磁性介質(AFC)的介質，由具有不同厚度并擁有面內磁各向異性的兩個常規(guī)晶體存儲數(shù)據(jù)層構成，所述兩個涂層通過薄Ru中間層交換耦合。這種方法通過有效地增加每個位的有效磁體積，使介質穩(wěn)定地抵抗熱波動。
使用擁有垂直磁各向異性的介質能夠隨具有大單軸各向異性能量的介質被設計而增加熱穩(wěn)定性，如K.Ouchi在IEEE.Tran.Magn.37(2001)中第1217頁的″近來的進步在垂直磁記錄″所述。此外，可根據(jù)垂直磁記錄方案使用導致更大位磁體積的更厚的磁層。
第三種策略轉至由物理分開的小磁島組成的構圖介質，所述磁島通常擁有垂直的磁各向異性。
如果所述島具有適合的尺寸或太小而不能支持磁疇，則島將擁有高形狀各向異性，由此顯示出增強的熱穩(wěn)定性。這在M.Albrecht等人在J.Appl.Phys.Lett.91(2002)中第6849頁的“100nm以下構圖的CoCrPt垂直介質的熱穩(wěn)定性和記錄性質”中予以說明。
對于MRAM裝置的存儲元件同樣需要小磁島。此外，可通過使用擁有高固有磁各向異性的磁性材料，或設計磁島形狀增強這些元件的熱穩(wěn)定性，使其擁有大形狀的各向異性。
無論使用上述哪種穩(wěn)定化策略，磁數(shù)據(jù)存儲介質和MRAM都屈從于上述超順磁限制。
MRAM存儲數(shù)據(jù)元件和磁記錄媒體都服從超順磁限制，所述超順磁限制限定寫入連續(xù)薄膜的熱磁穩(wěn)定存儲數(shù)據(jù)元件、島或位的最小尺寸。假定上述情況不容易避免，擁有基本大于超順磁限制限定的最小量的磁體積的次(sub)最佳大小存儲元件，在固定時間間隔內必須被更新或重寫。磁體積必須基本大于超順磁限制，以便包括補償元件或位尺寸中的統(tǒng)計變化和熱波動的隨機屬性的容差。這產生了一種有限的數(shù)據(jù)容量，其在更新操作過程中增加了電力消耗并迫使存儲器“停工”。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供允許使用具有最小可能尺寸的磁元件或位，進而最優(yōu)化數(shù)據(jù)容量，從而使其磁化在適當?shù)臅r間更新以最小化電力消耗和存儲器停工的方法和裝置。
通過使用根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法實現(xiàn)上述目的。本發(fā)明提供一種可用于在存儲數(shù)據(jù)的磁性元件需要更新時進行計算的磁弛豫模擬器。
所述模擬器可以包括具有單一尺寸或磁體積，或具有尺寸或磁體積范圍的參考磁元件或位的陣列或陣列號，所述磁元件或位寫入數(shù)據(jù)存儲器(MRAM存儲器陣列或磁介質)或在其中構圖。參考磁元件或位可以擁有尺寸或磁體積的范圍或分布，以便反映尺寸或磁特性的統(tǒng)計范圍或分布，其包括存有數(shù)據(jù)的實際存儲元件的物理不均勻性。所述參考元件或位為這樣的尺寸，即使其磁化由于熱波動而在比存儲元件或位的最小期望弛豫時間更短的時間內弛豫的尺寸，所述存儲元件或位用于存儲實際數(shù)據(jù)。例如，可參考磁元件有意地設計成小于存儲實際數(shù)據(jù)的存儲元件的最小尺寸。所述存儲元件的磁體積例如可涉及其縱橫比或其面積。
參考元件或位的磁化探測將允許檢測儲存數(shù)據(jù)的存儲元件或位中磁化弛豫的可能開始，進而通知必需的存儲元件或位的重寫或更新(再磁化)。例如，可根據(jù)與列、欄或區(qū)段相接合的參考陣列構造上述方案。
所述磁弛豫模擬器在形式上也可以是虛擬的，所述形式包括編成數(shù)據(jù)存儲器的處理元件的預測模型。
優(yōu)選地，所述模型具有足以預測“硬件”模擬器，如具有之前段落中所述的參考存儲元件的模擬器的實際性能。獲取該復雜度取決于將存儲磁元件或位的實際物理和工作特性認識到足夠的精確水平以作為模型的初始輸入數(shù)據(jù)。另外，必須以這樣的方法構造模型，所述方法為將“硬件”模擬器內發(fā)生的物理過程模擬至非常高的精確度級的方法。上述虛擬模擬器需要大的處理開銷，或極快的處理基礎結構以便“實時”運行。如果簡化模型用于模擬具有實用的足夠準確度的“硬件”模擬器，則上述必要條件可被放寬。
作為可選實例，可“離線”而非實時地運行極精確的虛擬模擬器，并將結果以裝置可訪問的方式存儲在數(shù)據(jù)存儲器，以便控制所述裝置的操作。
還可在數(shù)據(jù)存儲器與硬件模擬器串聯(lián)地使用虛擬模擬器。進一步的改變?yōu)槭褂媒Y合更復雜的虛擬模擬器結果的硬件模擬器，所述結果已經以可訪問的方式存儲在數(shù)據(jù)存儲器內部。
本發(fā)明提供包括用于數(shù)據(jù)存儲的磁存儲器陣列的磁存儲器裝置。此外，所述存儲器配有上述的磁弛豫模擬器，以便模擬磁存儲元件的熱弛豫的開始。所述存儲器可以是磁數(shù)據(jù)存儲裝置，諸如MRAM、磁盤機、光磁盤裝置、磁帶機或基于探針的裝置。
存儲器件的磁存儲元件可包含在磁性材料連續(xù)薄膜內部。根據(jù)一實施例，這些裝置可以由已經被構圖成單個元件的磁性材料的連續(xù)薄膜予以限定。根據(jù)另一個實施例，可通過預限定的構圖結構內單獨的磁元件的形成限定存儲器件。
本發(fā)明也提供一種能夠確定磁數(shù)據(jù)存儲裝置中熱弛豫開始的方法。所述方法包括模擬磁存儲元件的熱弛豫的開始。
如果磁存儲器包括存儲數(shù)據(jù)元件和參考磁存儲元件，則可通過比較參考磁存儲元件的磁化狀態(tài)與磁存儲器中至少一個參考磁存儲元件的熱穩(wěn)定性測量進行所述模擬。
可選地，在磁存儲元件的熱弛豫和在此發(fā)生的物理過程，如由于數(shù)值寫入而發(fā)生的磁化切換之間的設定關系的基礎上，通過預測磁存儲元件的熱弛豫執(zhí)行所述模擬。
本發(fā)明也提供一種確定磁數(shù)據(jù)存儲裝置中熱弛豫開始，以便判定是否更新數(shù)據(jù)存儲元件的方法的用法。這可在對存儲數(shù)據(jù)元件編程時實現(xiàn)。
根據(jù)以下結合附圖的詳細說明，使得本發(fā)明的這些和其他性能、特征和優(yōu)點變得顯而易見，所述附圖借助實例說明本發(fā)明的原理。該說明僅僅是用于示例，而不限制本發(fā)明的范圍。以下引用的參考附圖稱作附圖。


附圖1為用于連接陣列的MRAM單元的電學表示。
附圖2為2×2陣列的MTJ部件的示意立面圖。
附圖3示出了位(2，2)上的寫入操作，其導致2排中的元件以及2列中的元件的半選擇。
附圖4示出了在沿著MRAM元件的難磁化軸和/或易磁化軸施加磁場時，240×120nm2的穩(wěn)定區(qū)的不同切換速度的函數(shù)曲線。
附圖5示出了240×120nm2MRAM元件的穩(wěn)定寫入磁場窗口。
附圖6根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出了配有一個附加行和一個附加列的參考存儲元件的存儲塊。
附圖7根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出了配有兩個附加行和兩個附加列的基準的參考存儲元件的存儲塊。
附圖8示出了硬盤驅動器中的寫入過程。
附圖9為硬盤驅動器的頂視圖。
附圖10為基于探針的數(shù)據(jù)存儲器的部分分離圖。
在不同的附圖中，相同參考數(shù)字指代相同或相似的元件。
具體實施例方式
根據(jù)特殊實施例以及參照一些附圖描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此而僅由權利要求所限定。所描述的附圖僅僅圖示性的而非限制性的。在附圖中，為說明的目的，放大了一些元件的尺寸而沒有按比例進行繪制。本發(fā)明的說明書和權利要求書中使用的術語“包括”的地方，并不排除包括其他元件或步驟。當指代單數(shù)名詞所使用的不定冠詞和定冠詞，例如“一”或“一個”、“該”可以包括多個該名詞，除非另外有特定的說明。
當前許多公司考慮將磁或磁阻隨機訪問存儲器(MRAM)作為快閃存儲器的接替者。其有能力替代除了最快的靜態(tài)RAM(SRAM)存儲器之外的所有存儲器。其是非易失性存儲器件，這意味著不需要電源來維持所存儲的信息。這是其優(yōu)于大多數(shù)其它類型的存儲器的優(yōu)勢。
MRAM概念最初由Honeywell Corp.USA開發(fā)，并且使用磁多層器件中的磁化方向作為信息存儲，并且所得到的阻抗差用于信息讀出。與所有的存儲器件相同的是，MRAM陣列中的每一單元必須能夠存儲表示“1”或“0”的至少兩個狀態(tài)。
存在不同種類的磁阻(MR)效應，其中當前最重要的是巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)。GMR效應和TMR或磁隧道結(MTJ)或自旋相關隧道(SDT)效應使得有可能實現(xiàn)非易失性磁存儲器等。這些器件包括薄膜堆，其中至少兩個薄膜是鐵磁或亞鐵磁，并且其通過非磁性隔層分開。GMR是用于帶有導體隔層的結構的磁阻，而TMR是用于帶有電介隔層的結構的磁阻。如果在兩個鐵磁或亞鐵磁薄膜之間放置非常薄的導體，那么當薄膜的磁化方向平行時，該復合多層結構的有效面內阻抗最小，并且當薄膜的磁化方向反平行時最大。如果將薄膜電介隔層放置在兩個鐵磁或亞鐵磁薄膜之間，觀察發(fā)現(xiàn)當薄膜的磁化方向平行時，薄膜之間的隧道電流最大(或者于是阻抗最小)，并且當薄膜的磁化方向反平行時，薄膜之間的隧道電流最小(或者于是阻抗最大)。
磁阻通常測量為從平行磁化狀態(tài)變?yōu)榉雌叫写呕癄顟B(tài)的上述結構的阻抗的百分比增加。TMR器件比GMR結構具有更高的百分比磁阻，并從而能夠用于更高的信號和更高的速度。最近的結果表明，隧穿具有超過40％的磁阻，相比之下良好的GMR單元中的磁阻為6-9％。
僅作為示例，本發(fā)明用于MRAM。MRAM包括多個設置成陣列的多個磁阻存儲器單元1。圖1中所示為一個這種現(xiàn)有技術的存儲器單元1。每一存儲器單元1包括磁阻存儲元件2、數(shù)字線4和位線6的第一交點、位線6和字線8的第二交點。該存儲器單元1通過位線6串聯(lián)耦合成列并通過數(shù)字線4和字線8串聯(lián)耦合成行，從而形成陣列。所使用的磁阻存儲元件2例如可以是磁隧道結(MTJ)，但并不限于此。
通過將MTJ存儲元件2連接到電路中使用，使得從電流從其中一個磁性層垂直地流經通過元件2到達另一層。該MTJ單元1可以通過與諸如晶體管T的開關元件串聯(lián)的電阻R電學地表示，如圖1中所示。電阻R的阻抗大小取決于存儲元件2的磁性自由層和釘扎層的磁向量的方向。當該磁向量指向相反方向時，MTJ元件2具有相對較高的阻抗(HiRes)，并且當該磁向量指向相同的方向時，MTJ元件2具有相對較低的阻抗(LoRes)。
圖2中所示的示意立面圖為2×2陣列的現(xiàn)有技術存儲器單元。在包括多個MRAM單元的MRAM陣列中，垂直的導電線4、6在每一位或存儲器單元2的下面和上面通過，攜帶產生切換磁場的電流。每一位的設計，使得當電流僅僅應用到一個線上時其不會切換，但是當電流通過在所選擇的位交叉的兩個線4、6時才切換(只有當自由層的磁向量與切換磁場的方向不一致時，才會出現(xiàn)切換)。
在MTJ存儲器單元和單元1的陣列中設置有數(shù)字線4和位線6，其中數(shù)字線4在該存儲元件2的一側沿著陣列的行布置，并且位線6在該存儲元件2的另一側沿著陣列的列布置。為了清楚，圖2中的結構需要部分反向數(shù)字線4物理地在該MTJ元件2的下面穿過(在該MTJ元件2朝向其中設置有晶體管T的基層的側邊)，并且位線6物理地在該MTJ元件2的上面穿過(在該MTJ元件2背向其中設置有晶體管T的基層的側邊)。然而，如果那樣畫，位線6就會擋住磁阻元件2，其是該附圖更相關的部件。
MTJ元件2為分層的結構，如附圖2所示，其通常包括形成下電觸點22的非磁性導體，磁性固定或磁性釘扎層10，置于釘扎層10上的電介質阻擋層14，以及置于電介質阻擋層14上的磁性自由層12，以及磁性自由層12上的上觸點16。磁性釘扎層10和磁性自由層12都可以包括，例如NiFe，并且電介質阻擋層14可由例如AlOx制成。
通過在其間具有電介質14的鐵磁層或亞鐵磁層10、12的夾層上施加小的電壓，電子能夠隧穿過電介質阻擋層14。
磁性材料的釘扎層10具有總是指向相同方向的磁向量。自由層12的磁向量是自由的，但被所述涂層的物理尺寸約束成指向兩個方向中的任一方向與釘扎層10的磁化方向平行或反平行。
該存儲元件12通過互連層16以及多個金屬化層18和通孔20與晶體管T連接。該存儲元件12與該位線6之間存在電連接22。每一存儲器單元1的晶體管T與地線24連接。
在附圖3中示意性地示出了包含磁存儲元件32、32a、32b的2-D矩陣30的MRAM陣列，所述矩陣位于兩組垂直電流線——字線8和位線6的交叉處。示出的陣列具有有限的尺寸，但在實際使用中可以是更大的尺寸。
在寫或編程模式中，所需的電流流經通過所選擇的數(shù)字線4和位線6，使得在它們的交點產生峰值磁場，足以將該MTJ元件2的自由層12的極性切換，從而將該MTJ元件2的阻抗從LoRes(低阻抗)狀態(tài)切換到HiRes(高阻抗)狀態(tài)，或者相反(取決于電流通過位線6的方向)。同時，所選擇的存儲器單元1(位于所選擇的數(shù)字線4與所選擇的位線6的交點處的存儲器單元)中的諸如晶體管T的開關元件處于截斷狀態(tài)，例如通過保持該字線8上的電壓為高(在開關元件是晶體管T的情況下為0伏特)。所選擇的數(shù)字線4和所選擇的位線6中的電流是這樣的它們一起提供的磁場可以改變所選擇的存儲元件的自由層的磁向量的方向，但是任一條中的電流都不能改變存儲狀態(tài)。因此，只寫入所選擇的存儲元件，而不寫與所選擇的數(shù)字線4或位線6相同線上的任何其它存儲元件。
在元件32的切換時，兩個垂直電流線4、6用于產生其振幅在選定位32a處為最大的面內磁場矢量?？墒牵瑑蓚€磁場分量沿著選定的電流線4，6(附圖3)都可以影響其他的磁元件32b。這種情況通常稱作“半選擇”，并決定磁位32b(非選定的)的加速馳豫。在寫入操作過程中，阻止由半選擇影響的所有位32b的熱弛豫的能量壁壘顯著下降。因此，對于其中以相似高頻發(fā)生的讀和寫操作的嵌入MRAM存儲器，積聚的半選擇時間例如為降低能量的壁壘(barrier)限定期望的熱馳豫時間。另一方面，對于寫少讀多(WORM)類型的MRAM，由磁島的超順磁限制更適合地設定所述熱穩(wěn)定性。
由于能量壁壘在半選擇期間的可能降低，使得MRAM中的磁位的數(shù)據(jù)保持或熱穩(wěn)定性成為關鍵問題，其對于更小的元件變得更嚴格，例如更高的密度。兩個明顯的解決方法為(1)增加元件的縱橫比(形狀各向異性)，產生更高的切換磁場，進而產生更高的功率消耗(～R.I2)，或者(2)增加相同縱橫比元件的尺寸，產生更小的存儲密度進而產生更大的存儲。鑒于最優(yōu)化數(shù)據(jù)容量和最小化電力消耗的所需條件，這些解決方法沒有一個是適合的。
使用關系式
ts=τ0exp(Δ-ΔEHSkBT)]]>可計算熱激活切換或弛豫時間ts，其中τ0指代嘗試頻率(v～109Hz)；而Δ為阻止熱弛豫的本征能量壁壘，其由于半選擇場的存在降低了ΔEHS。
在附圖4中，為具有4nm NiFe自由層的240×120nm2的橢圓形MRAM元件計算弛豫時間。獲得典型的星狀曲線(以0k計算的標記○和×)，其也被稱作Stoner-Wohlfarth星狀線。以不同的穩(wěn)定性判據(jù)對照該曲線。實線曲線40、41、42、43、44、45按照施加的磁場函數(shù)，繪制單一理想化粒子對于或左或右的磁化點穩(wěn)定性的邊界。圖的軸對應易磁化軸和難磁化軸，即平行于或垂直于晶體各向異性優(yōu)選的方向。不同實線曲線40、41、42、43、44、45之間的區(qū)域表示磁場，其可用于非選定位以便對于相應的1秒、1分鐘、1小時、1天、1個月以及1年保持熱穩(wěn)定性。應當注意到，1015讀/寫周期的數(shù)據(jù)保持規(guī)格對應適于10納秒半選擇脈沖時間的～3個1/2月的有效時間。這種穩(wěn)定性所需條件產生穩(wěn)定的寫入磁場窗口，如附圖5中暗區(qū)50所示。這些暗區(qū)50中的每個點示出了根據(jù)易磁化軸和根據(jù)難磁化軸的磁場合并，這種合并可用于寫存儲元件并使得每個磁場(根據(jù)難磁化軸或根據(jù)易磁化軸)分別不足以切換存儲元件。
由于磁元件的形狀和幾何形狀(平版印刷、邊緣粗糙性和微磁性)以及產生的芯片內磁場分布所引起的切換磁場分布，強烈地影響熱穩(wěn)定性的所需條件。容差或余量必須被設置以克服這些處理變化。另一方面，根據(jù)指數(shù)關系，這些小的改變在熱穩(wěn)定性分析中是非常重要的，這可在附圖4中清楚地看出。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，磁弛豫模擬器配有用于儲存數(shù)據(jù)的存儲元件陣列。模擬器用于在儲存數(shù)據(jù)的存儲元件需要更新時進行計算。模擬器可以包括具有尺寸小于實際數(shù)據(jù)存儲所用的最小尺寸的尺寸范圍的參考磁元件或位。這是為了以實際存儲元件和相關磁場源的尺寸和物理特性反應統(tǒng)計分布。另外，可包含具有不同尺寸的陣列元件，以便得到更精確印記的熱穩(wěn)定性，所述印記為體積的強函數(shù)，并由此獲得固定層厚度的尺寸。通過具有不同尺寸的探測元件，能夠監(jiān)視衰減并采取適當?shù)膶Σ?。對于給定實例，這意味著MRAM不僅包含存儲元件2也包含參考存儲元件陣列。參考存儲元件或位具有這樣的尺寸，即使其磁化在比存儲元件2或位的最小期望弛豫時間更短的時間內弛豫的尺寸。這樣可使得參考元件的面積或縱橫比或是二者不同于實際存儲元件的面積或縱橫比或是二者。
磁化的探測，或參考元件或位的存儲電流，允許檢測存儲元件2或位中磁化馳豫的可能開始，進而告知存儲元件2或位的重寫(再磁化)是必要的。可通過行、列或區(qū)段構建這樣的方案。
不同的實施例能夠僅在測試本身特性的基礎上產生不同的測試策略。策略必須能夠區(qū)別由于寫操作引起的可能熱穩(wěn)定性之間的差別，或由于溫度或磁場影響而產生的更多的普通問題。
就整個芯片的測試結構而言，可根據(jù)類似溫度或磁場的可能環(huán)境影響在操作期間正常的間隔時，如導入系統(tǒng)時進行檢查。根據(jù)測試的輸出結果，公布整個存儲器是被破壞，例如在過高的磁場中進行再磁化，或在過高的溫度中全部是隨機的。測試結構可以是單獨的或與一個相合并的溫度和/或磁場監(jiān)視部件。如果存在備份，可重置存儲器。在這種情況下，以一定周期進行備份是重要的。如果測試指出，部分存儲器可能被破壞，則重寫(該部分)存儲器。
能夠以多種方式在存儲器陣列實現(xiàn)預置參考元件。優(yōu)選實施例包括由于其中一個電流，即附圖3中線6內的位電流能夠雙向施加，來檢查邏輯′0′和′1′兩個邏輯狀態(tài)的半選擇操作的可能性。一種選擇是簡單地為MxN存儲塊增加額外的行0和/或M+1，以及列0和/或N+1，如附圖6中實施例所示，其中這些附加的行和列包括參考存儲元件60、60b、60c、60d，其具有使其磁化在比存儲元件或位32、32a、32b的最小期望弛豫時間短的時間內馳豫的尺寸。在附圖6給出的實例中，參考元件60、60b、60c、60d具有被實際存儲元件32、32a、32b小的區(qū)域。當對存儲元件32a編程時，為存儲元件32a施加最高磁場，為同一行上的所有存儲元件32b施加與目標存儲元件32a相同的首先部分磁場，并為同一列上的全部存儲元件32b施加與目標存儲元件32a相同的第二部分磁場。特別地，第一部分磁場施用于參考元件60b，而第二部分磁場施用于參考元件60c。第一和第二部分磁場是這樣的，使其聯(lián)合效應產生足以切換存儲元件32a的磁場，但每個單獨磁場不足以切換任何的存儲元件32b。根據(jù)可被預編程的程序表探測參考元件60、60b、60c的磁化，或根據(jù)磁性元件或位的已知物理性能，模擬器、數(shù)據(jù)存儲器內部運行的虛擬模擬器、或對數(shù)據(jù)存儲器單獨運行的詳細虛擬模擬器的早先性能修改其磁化。非常簡單的程序表可以在每次寫或讀操作之后，或預定數(shù)量的寫或讀操作之后確定探測參考元件。當檢測參考元件60、60b、60c之一的磁化弛豫時，重寫整個存儲器內容或部分內容。這樣，不必實行重寫操作，進而限制功率消耗和存儲器停工。就MRAM而言，對于正常操作，熱穩(wěn)定性主要是寫操作期間的問題，這是非常局部的操作，因為此時僅是沿著編程位和數(shù)位線的位具有阻止助熱切換的更低的能量壘。原則上，這些線上的測試元件足以監(jiān)視相鄰元件中不期望的切換的可能性。在這種情況下，正性測試導致所有相鄰元件的重寫。就例如字并行寫的策略而言，這意味著將重寫整個存儲器塊。
直接的解決方案是在每一行和/或列中添加具有邏輯0和1值的兩個測試單元，如圖7所示。熱穩(wěn)定試驗將比較每個寫操作之后選定線中的數(shù)值，或者例如在每幾個寫操作過程中矩陣內統(tǒng)計分布的數(shù)值。如果兩種狀態(tài)之間的電阻差值AR太小，這測試-0變成測試-1，或反之亦然。無論如何，其中一種狀態(tài)改變，其檢測矩陣內熱弛豫可能開始。應當注意，因為尺寸不同，不能對標準元件進行比較。因此，例如在拐角處，可對不會或幾乎不暴露于芯片內磁場的用作參考的特殊標準元件進行預編程。
在寫操作之后，例如對于字1000(第二實數(shù)據(jù)行)，可檢查左邊和右邊上的參考元件的位情況。如果它們給出錯誤，則字可被讀取或與原始數(shù)據(jù)進行比較，也就是說仍然可用，或對其簡單地重寫。另一方面，如果參考行上的任意參考位具有改變的位情況，則檢測熱弛豫的可能開始，并在首次重置所有參考位后讀取或重寫整個矩陣。
根據(jù)一個可選實施例，可在存儲器體系結構中實現(xiàn)包括預置元件的特殊試驗結構。唯一的必要條件是芯片內電流或磁場以與功能位相似的方式影響參考元件。
在相同構思例如增加參考元件來檢測矩陣內熱弛豫的可能開始的基礎上，能夠輕易地實現(xiàn)更復雜的實驗特征。例如通過僅保持相同尺寸元件中的一個，比較具有小縱橫比的參考元件的熱穩(wěn)定性，提供計算陣列中功能元件的這個最低需求的簡單方法。
此外，使用這個方法，由于改善寫窗口的可能性，能夠容忍大的處理變化。因此，對參考元件對于熱穩(wěn)定性的初始情況進行的定期檢查，給出了重寫全部陣列的執(zhí)行/不執(zhí)行信號。行、列或區(qū)段依賴于參考元件的結構。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，磁弛豫模擬器也可在形式上是虛擬的，所述形式包括變成處數(shù)據(jù)存儲器內部或與其相關的處理元件的預測模型。所述處理器可以是微處理器或嵌入式處理機中心。所述處理器也可以是可編程門陣列如可編程序邏輯陣列(PLA)或可編程陣列邏輯(PAL)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。在磁存儲元件的熱弛豫和其中發(fā)生的物理過程，如由于數(shù)值的寫入而引起的磁化切換之間設定的關系的基礎上，通過預測磁存儲元件的熱弛豫實現(xiàn)所述模擬。優(yōu)選地，所述模型具有能夠預測“硬件”模擬器，即具有上述參考存儲元件的模擬器實際性能的足夠的復雜度。該復雜度的獲得是取決于將存儲磁性元件或位的實際物理和操作特性認識到足夠精確的水平而作為模型的初始輸入數(shù)據(jù)。另外，必須以將“硬件”模擬器內部發(fā)生的物理過程模擬至非常高的精確度級的方法構造所述模型。上述虛擬模擬器需要大的處理開銷，或用以“實時”運行的極快的處理基礎結構?？扇绻喕Ｐ陀糜谀M具有實際使用所需的足夠準確度的″硬件″模擬器，則可放寬上述技術條件。
作為可選方案，可“離線”，即不實時地運行極精確的虛擬模擬器，并且以裝置能夠訪問以便控制裝置操作的方式將結果存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。
在所述數(shù)據(jù)存儲器中也可將硬件模擬器與虛擬模擬器串聯(lián)使用。另一變化是接合更復雜的虛擬模擬器的結果使用硬件模擬器，所述結果已經以可訪問的方式存儲在數(shù)據(jù)存儲器內。
根據(jù)本發(fā)明的模擬器的另一實施例，例如可用于基于硬盤的數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)。
在硬盤驅動器中的寫入過程由沿著介質內狹窄環(huán)形軌道的磁化區(qū)域或疇80、80a、80b、80c、80d構成，所述介質具有外加磁場(參見附圖8)?？山柚鷮懘蓬^磁極81和寫磁頭線圈82產生上述外加磁場。磁場的方向限定了將被寫的領域80、80a、80b、80c、80d的磁化。編碼將被寫的數(shù)據(jù)，使得兩個相反磁化疇80a、80b之間的轉換83對應第一二元狀態(tài)，例如“1”，以及兩個同向磁化的疇80c、80d之間的轉換84欠缺對應第二二元狀態(tài)，如“0”，否則反之亦然。外部時鐘用作限定轉換“1s”或缺少轉換“0s”的位置的參考。通過檢測轉換83存在或轉換84欠缺實現(xiàn)回讀，其對于磁盤平面內磁化介質的情況，對應檢測源自轉換的發(fā)散磁場的垂直分量。目前，配置在浮動磁頭(未示出)中的GMR傳感器85用于位檢測。
硬盤驅動器利用嵌入在公知為扇區(qū)91的數(shù)據(jù)子部開始處發(fā)現(xiàn)的特殊首部的子段90中嵌入的伺服信息(參見附圖9)。這些首部90用于借助浮動磁頭(未示出)、軌道92的識別以及扇區(qū)91的識別參與軌道92的追蹤。數(shù)據(jù)文件可以在基于硬盤的物理扇區(qū)91之間在分，或扇區(qū)91可包含幾個小數(shù)據(jù)文件。
通過將位的參考模式寫入磁盤上的預定范圍內，可在硬盤介質磁盤片中實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實施例的磁弛豫模擬器。上述區(qū)域可嵌入每個扇區(qū)91的首部90中，或嵌入每個軌道92上的單獨區(qū)域中，或嵌入單獨的預定軌道91中。位圖案被構造得使其包含許多相對磁化的疇，其擁有初始明確限定的磁體積和邊界。選擇磁體積使其在時標上承受可檢測的磁弛豫，所述時標比包含存儲數(shù)據(jù)的區(qū)域內轉換之間的最短距離所限定的磁體積所用的短。
參考位圖案可由一個或多個同樣地大小的磁體積，或允許可探測的馳豫時間分布的磁體積范圍構成。
借助每個磁體積內部的單獨顆粒的隨機的、熱引導反向磁化進行參考圖樣內的磁弛豫。這可導致通過輸出寫入磁疇變成“消磁”的磁體積分成等數(shù)量的不穩(wěn)定的小磁體積。這可產生在從參考位回讀過程中顯示大背景噪聲的介質。另外，由于接近轉換存在的更大消磁磁場的增加影響，使得接近疇(轉換)之間邊界的顆粒更傾于方向。這可引起變得更不明確且最后“自擦除”的疇之間的轉換。這導致來自變得嘈雜的轉換的回讀信號并最好導致變得不可檢測的轉換。
因此，可通過監(jiān)視從參考圖樣到信噪比的背景信號，監(jiān)視從參考圖樣的轉換噪音或轉換內的參考圖樣變得不能被檢測時進行監(jiān)視，探測參考位的磁弛豫。
后者是更優(yōu)選的方法，因為其允許與將被探測的某一尺寸的預定磁體積相關聯(lián)的單獨轉換。
根據(jù)本發(fā)明的模擬器的一個實施例，例如也可用于基于探測的數(shù)據(jù)存儲器。在附圖10中示出了基于探針的系統(tǒng)的實例。上述裝置通常由使用MEMS(微機電系統(tǒng))工藝，也就是說用于訪問寫入單獨介質96內的工藝制造的探針陣列95所組成。與介質繞中心軸的基于磁盤的系統(tǒng)相比，在基于探針的系統(tǒng)，介質96和探針陣列95在由致動器97驅動的XY光柵模式中相互移動。
基于探針的數(shù)據(jù)存儲器可運用類似與關于基于硬盤系統(tǒng)所描述的連續(xù)介質讀取、寫和編碼方法?；谔结樀南到y(tǒng)也可使用構圖成單獨元件的介質，這些元件擁有垂直于介質96平面的磁化。類似于硬盤，通過將元件磁化與擁有適當偏振的外加磁場相對準寫入數(shù)據(jù)。第一二元值，如“1”，可由朝探針陣列偏離介質平面對準其磁化的元件所表示，并且第二二元值，如“0”，由以方向對轉其磁化的元件表示。經由具有單獨磁元件的單獨探針的交互作用，通過檢測單獨磁元件的磁化方向執(zhí)行讀取。這可通過檢測發(fā)散磁場方向予以實現(xiàn)，所述方向與來自磁元件的位磁化方向直接相關。存在幾種探測發(fā)散磁場的方向，其包括使用設置在探針上的GMR或TMR，或在與一個元件的發(fā)散磁場相互作用時監(jiān)視永久磁化探針的偏轉。
根據(jù)本發(fā)明一個實施例的磁化弛豫模擬器可在按照以下方式合并有構圖介質96的基于探針的數(shù)據(jù)存儲器中實現(xiàn)。在介質制造過程中，構圖同樣大小元件的陣列以便形成數(shù)據(jù)存儲所用的單獨數(shù)位位置。通過限定介質96上的區(qū)域實現(xiàn)模擬器，在所述區(qū)域中元件或元件組擁有小于存儲數(shù)據(jù)元件的尺寸(磁體積)。參考元件的尺寸使其磁化馳豫時間比數(shù)據(jù)元件的短。通過將參考元件在某些預定時刻處的磁化與其最初的預定磁化相比較，檢測參考元件的磁弛豫。兩個元件之間的任意不匹配將暴露參考元件中的磁化由于隨機的熱波動而馳豫，以及存儲在數(shù)據(jù)元件中的信息將被更新。
參考元件可被指定為數(shù)據(jù)元件的行或列，在將信息寫入相應行或列的時刻設定參考磁化。因此，參考元件不必位于其相應的數(shù)據(jù)元件附近，也不必在寫入任何數(shù)據(jù)的同時設定其參考磁化。
假若參考元件位于數(shù)據(jù)元件附近，則便于將其設置在扇狀介質子區(qū)的首部。
可限定參考元件的參考磁化以便形成具有平行或反平行磁化的某種圖案的元件。參考元件可形成元件組，每組包含具有尺寸分布以及磁弛豫時間分布的元件。通過按照元件尺寸函數(shù)監(jiān)視磁化弛豫的發(fā)展，可實現(xiàn)位元件的更新的預測控制。
應當理解，盡管在此已經描述了適于本發(fā)明裝置的優(yōu)選實施例、特殊結構以及材料，但在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下可在形式和細節(jié)上進行各種改變和修改。
權利要求
1.磁存儲器裝置，其包括用于數(shù)據(jù)存儲的磁存儲元件陣列，所述存儲器還配有用于模擬所述磁存儲元件的熱弛豫開始的磁弛豫模擬器。
2.根據(jù)權利要求1的磁存儲器裝置，其中所述模擬器包括用于檢測所述磁存儲元件的熱弛豫開始的參考磁存儲元件的至少一個元件或元件陣列。
3.根據(jù)權利要求2的磁存儲器裝置，每個存儲元件具有磁體積，其中所述參考磁存儲元件具有比用于實際數(shù)據(jù)存儲的最小磁體積更小的磁體積。
4.根據(jù)權利要求3的磁存儲器裝置，其中存儲或參考元件的磁體積與其縱橫比相關。
5.根據(jù)權利要求3或4任一所述的磁存儲器裝置，其中存儲或參考元件的磁體積與其面積相關。
6.根據(jù)前述權利要求中任一所述磁存儲器裝置，其中所述模擬器包括處理元件，包含磁存儲元件的熱弛豫的預測模型。
7.根據(jù)前述權利要求中任一所述磁存儲器裝置，其中所述存儲器為磁數(shù)據(jù)存儲裝置。
8.根據(jù)前述權利要求中任一所述磁存儲器裝置，其中所述磁存儲元件或參考元件包含在磁性材料的連續(xù)薄膜中。
9.根據(jù)前述權利要求中任一所述的磁存儲器裝置，其中磁存儲器或參考元件由已經構圖成單個元件的磁性材料的連續(xù)薄膜限定。
10.根據(jù)前述權利要求中任一所述的磁存儲器裝置，其中通過在預定構圖的結構中形成單獨的磁元件來限定磁存儲器或參考元件。
11.一種可以確定磁數(shù)據(jù)存儲裝置中熱弛豫開始的方法，所述方法包括模擬所述磁存儲元件的熱弛豫開始。
12.根據(jù)權利要求11的方法，所述磁存儲器包括數(shù)據(jù)存儲元件和參考磁存儲元件，所述方法包括將參考磁存儲元件的磁化狀態(tài)與磁存儲設備中至少其中一個參考磁存儲元件的熱穩(wěn)定性測量進行比較。
13.根據(jù)權利要求11或12所述的方法，所述方法包括在磁存儲元件的熱弛豫與對此發(fā)生的物理過程之間建立的關系的基礎上，預測磁存儲元件的熱弛豫。
14.權利要求11至13的方法的使用，用于確定是否刷新所述數(shù)據(jù)存儲元件。
15.在編程存儲數(shù)據(jù)元件時根據(jù)權利要求14的使用。
全文摘要
具有比實際數(shù)據(jù)存儲使用的最小尺寸小的磁容積范圍的參考磁元件或磁位寫入數(shù)據(jù)存儲裝置或在其中構圖。所述參考元件或位具有這樣的尺寸，即使其磁化在比存儲元件或位的最小期望弛豫時間更短的時間內馳豫的尺寸。參考元件或位的磁化探測允許在存儲元件或位的重寫(再磁化)為必須的信號之前，檢測存儲元件或位中磁化馳豫的可能開始?？稍诹?、欄或區(qū)段上構造這種方案。
文檔編號G11B5/00GK1717744SQ200380104337
公開日2006年1月4日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權日2002年11月28日
發(fā)明者G·N·菲利浦斯, H·M·B·博伊維 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司