检测磁数据存储设备中热弛豫的可能开始的方法和装置

摘要

具有比实际数据存储使用的最小尺寸小的磁容积范围的参考磁元件或磁位写入数据存储装置或在其中构图，所述参考磁存储元件或位具有这样的尺寸，即使其磁化在比存储元件或位的最小期望弛豫时间更短的时间内弛豫的尺寸。参考磁存储元件或位的磁化探测允许在存储元件或位的重写(再磁化)为必须的信号之前，检测存储元件或位中磁化弛豫的可能开始，可在列、栏或区段上构造这种方案。

权利要求

1.磁存储器装置，其包括用于数据存储的磁存储元件阵列，所述磁存储器装置还配有用于模拟所述磁存储元件的热弛豫开始的磁弛豫模拟器，以便确定是否刷新所述磁存储元件。

2.根据权利要求1的磁存储器装置，其中所述磁弛豫模拟器包括用于检测所述磁存储元件的热弛豫开始的参考磁存储元件的至少一个元件或元件阵列。

3.根据权利要求2的磁存储器装置，每个磁存储元件具有磁体积，其中所述参考磁存储元件具有比用于实际数据存储的最小磁体积更小的磁体积。

4.根据权利要求3的磁存储器装置，其中磁存储元件或参考磁存储元件的磁体积与其纵横比相关。

5.根据权利要求3或4任一所述的磁存储器装置，其中磁存储元件或参考磁存储元件的磁体积与其面积相关。

6.根据权利要求1-4中任一所述磁存储器装置，其中所述磁弛豫模拟器包括处理元件，所述处理元件包含磁存储元件的热弛豫的预测模型。

7.根据权利要求1-4中任一所述磁存储器装置，其中所述磁存储器装置为磁数据存储装置。

8.根据权利要求1-4中任一所述磁存储器装置，其中所述磁存储元件或参考磁存储元件包含在磁性材料的连续薄膜中。

9.根据权利要求1-4中任一所述的磁存储器装置，其中磁存储元件或参考磁存储元件由已经构图成单个元件的磁性材料的连续薄膜限定。

10.根据权利要求1-4中任一所述的磁存储器装置，其中通过在预定构图的结构中形成单独的磁元件来限定磁存储元件或参考磁存储元件。

11.一种可以确定磁数据存储装置中热弛豫开始的方法，所述方法包括模拟所述磁数据存储装置中的磁存储元件的热弛豫开始，以便确定是否刷新所述磁存储元件。

12.根据权利要求11的方法，所述磁数据存储装置包括数据存储元件和参考磁存储元件，所述方法包括比较参考磁存储元件的磁化状态，作为磁数据存储装置中至少一个参考磁存储元件的热稳定性测量。

13.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法包括在磁存储元件的热弛豫与所述磁存储元件发生的物理过程之间建立的关系的基础上，预测磁存储元件的热弛豫。

说明书

检测磁数据存储设备中热弛豫的可能开始的方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及磁存储器或数据存储器，特别地涉及上述具有小型磁性元件，例如100nm和更小级的磁存储器装置。特别地，本发明涉及一种检测磁数据存储设备中热弛豫的可能开始(onset)的方法和装置。

[0002] 数据存储器中磁材料的用途被适当地确定为数据存储媒体(硬盘、光磁盘、软盘、磁带、MRAM数据存储层/元件层等)、回读检测器(MR、GMR、TMR硬盘磁头、MRAM传感元件等)或写入元件(硬盘，光磁盘，软盘和磁带写入磁头磁导等)。

背景技术

[0003] 近来，在硬盘记录的区域内，面密度(或位密度)，即可存储在记录介质表面区域的一个单位正方形(如平方厘米)中的数值量，在磁存储器的快速发展中成为最重要的因素。为了增加数据容量，已经实现了位(以及磁畴)大小的显著减少。记录介质的信噪比与颗粒的数目强烈相关。当成比例地减少位大小以便增加区域密度时，介质的每个位中平均颗粒体积也被减少以便维持每位中有足够的颗粒以确保可接受的信噪比。

[0004] 通常，由于克服材料的磁(各向异性)能量(KVV)的随机热波动(KBT)，有时与外磁场效应结合，使得磁铁的磁化随时间衰退。对于无相互作用的粒子(例如硬盘介质或MRAM存储元件中的粒予)，在容积变得足够小而使得热能等于或大于磁能，在此处粒子变得超顺磁，即粒子的磁化在短时间间隔内任意地切换，则上述情况就成为一个严重的问题。对于超顺磁的限制，磁粉较小以至于其不能保持关于任意实际使用时间量的稳定磁化，而这将导致数据损失。这种物理限制依赖温度以及磁性材料的物理和结构特性。根据最小磁性稳定体积的物理限制、上述超顺磁限制，位或存储元件(和磁畴)尺寸不能无限地缩小。
对热搅动敏感的颗粒磁化产生噪声比(在硬盘中)和最后的数据损失(在硬盘和MRAM中)随位或存储元件有效地“自清除”的缩减信号。

[0005] 使用具有大的内在各向异性常数，或大的形状各向异性的材料(如延长的椭圆体)，能够延迟该超顺磁限制的开始。

[0006] 在硬盘记录区域内，可使用几种策略来增强数据存储媒体的热稳定性。

[0007] 作为第一种策略，抗铁磁电偶(AFC)介质，近来已经由Fujitsu和IBM公司的E.Abarra等人在J.Appl.Phys.Lett 77，(2000)中第2581页中所写的“具有热固涂层的纵向记录介质”，E.Fullerton等人在J.Appl.Phys.Lett 77，(2000)中笫3806页中所写的“用于热稳定高密度记录的抗铁磁电偶磁介质”予以说明。上述称作合成抗铁磁性介质(AFC)的介质，由具有不同厚度并拥有面内磁各向异性的两个常规晶体存储数据层构成，所述两个涂层通过薄Ru中间层交换耦合。这种方法通过有效地增加每个位的有效磁体积，使介质稳定地抵抗热波动。

[0008] 使用拥有垂直磁各向异性的介质能够随具有大单轴各向异性能量的介质被设计而增加热稳定性，如K.Ouchi在IEEE.Tran.Magn.37(2001)中第1217页的“近来的进步在垂直磁记录”所述。此外，可根据垂直磁记录方案使用导致更大位磁体积的更厚的磁层。

[0009] 第三种策略转至由物理分开的小磁岛组成的构图介质，所述磁岛通常拥有垂直的磁各向异性。

[0010] 如果所述岛具有适合的尺寸或太小而不能支持磁畴，则岛将拥有高形状各向异性，由此显示出增强的热稳定性。这在M.Albrecht等人在J.Appl.Phys.Lett.91(2002)中第6849页的“100nm以下构图的CoCrPt垂直介质的热稳定性和记录性质”中予以说明。

[0011] 对于MRAM装置的存储元件同样需要小磁岛。此外，可通过使用拥有高固有磁各向异性的磁性材料，或设计磁岛形状增强这些元件的热稳定性，使其拥有大形状的各向异性。

[0012] 无论使用上述哪种稳定化策略，磁数据存储介质和MRAM都屈从于上述超顺磁限制。

[0013] MRAM存储数据元件和磁记录媒体都服从超顺磁限制，所述超顺磁限制限定写入连续薄膜的热磁稳定存储数据元件、岛或位的最小尺寸。假定上述情况不容易避免，拥有基本大于超顺磁限制限定的最小量的磁体积的次(sub)最佳大小存储元件，在固定时间间隔内必须被更新或重写。磁体积必须基本大于超顺磁限制，以便包括补偿元件或位尺寸中的统计变化和热波动的随机属性的容差。这产生了一种有限的数据容量，其在更新操作过程中增加了电力消耗并迫使存储器“停工”。

发明内容

[0014] 本发明的一个目的是提供允许使用具有最小可能尺寸的磁元件或位，进而最优化数据容量，从而使其磁化在适当的时间更新以最小化电力消耗和存储器停工的方法和装置。

[0015] 通过使用根据本发明的装置和方法实现上述目的。本发明提供一种可用于在存储数据的磁性元件需要更新时进行计算的磁弛豫模拟器。

[0016] 所述模拟器可以包括具有单一尺寸或磁体积，或具有尺寸或磁体积范围的参考磁元件或位的阵列或阵列号，所述磁元件或位写入数据存储器(MRAM存储器阵列或磁介质)或在其中构图。参考磁元件或位可以拥有尺寸或磁体积的范围或分布，以便反映尺寸或磁特性的统计范围或分布，其包括存有数据的实际存储元件的物理不均匀性。所述参考磁存储元件或位为这样的尺寸，即使其磁化由于热波动而在比存储元件或位的最小期望弛豫时间更短的时间内弛豫的尺寸，所述存储元件或位用于存储实际数据。例如，可参考磁元件有意地设计成小于存储实际数据的存储元件的最小尺寸。所述存储元件的磁体积例如可涉及其纵横比或其面积。

[0017] 参考磁存储元件或位的磁化探测将允许检测储存数据的存储元件或位中磁化弛豫的可能开始，进而通知必需的存储元件或位的重写或更新(再磁化)。例如，可根据与列，栏或区段相接合的参考阵列构造上述方案。

[0018] 所述磁弛豫模拟器在形式上也可以是虚拟的，所述形式包括编程到数据存储器的处理元件中的预测模型。

[0019] 优选地，所述模型具有足以预测“硬件”模拟器，如具有之前段落中所述的参考存储元件的模拟器的实际性能。获取该复杂度取决于将存储磁元件或位的实际物理和工作特性认识到足够的精确水平以作为模型的初始输入数据。另外，必须以这样的方法构造模型，所述方法为将“硬件”模拟器内发生的物理过程模拟至非常高的精确度级的方法。上述虚拟模拟器需要大的处理开销，或极快的处理基础结构以便“实时”运行。如果简化模型用于模拟具有实用的足够准确度的“硬件”模拟器，则上述必要条件可被放宽。

[0020] 作为可选实例，可“离线”而非实时地运行极精确的虚拟模拟器，并将结果以装置可访问的方式存储在数据存储器，以便控制所述装置的操作。

[0021] 还可在数据存储器与硬件模拟器串联地使用虚拟模拟器。进一步的改变为使用结合更复杂的虚拟模拟器结果的硬件模拟器，所述结果已经以可访问的方式存储在数据存储器内部。

[0022] 本发明提供包括用于数据存储的磁存储器阵列的磁存储器装置。此外，所述存储器配有上述的磁弛豫模拟器，以便模拟磁存储元件的热弛豫的开始。所述存储器可以是磁数据存储装置，诸如MRAM、磁盘机、光磁盘装置、磁带机或基于探针的装置。

[0023] 存储器件的磁存储元件可包含在磁性材料连续薄膜内部。根据一实施例，这些装置可以由已经被构图成单个元件的磁性材料的连续薄膜予以限定。根据另一个实施例，可通过预限定的构图结构内单独的磁元件的形成限定存储器件。

[0024] 本发明也提供一种能够确定磁数据存储装置中热弛豫开始的方法。所述方法包括模拟磁存储元件的热弛豫的开始。

[0025] 如果磁存储器包括存储数据元件和参考磁存储元件，则可通过比较参考磁存储元件的磁化状态，作为磁数据存储装置中至少一个参考磁存储元件的热稳定性测量，来进行所述模拟。

[0026] 可选地，在磁存储元件的热弛豫和在此发生的物理过程，如由于数值写入而发生的磁化切换之间的设定关系的基础上，通过预测磁存储元件的热弛豫执行所述模拟。

[0027] 本发明也提供一种确定磁数据存储装置中热弛豫开始，以便判定是否更新数据存储元件的方法的用法。这可在对存储数据元件编程时实现。

[0028] 根据以下结合附图的详细说明，使得本发明的这些和其他性能、特征和优点变得显而易见，所述附图借助实例说明本发明的原理。该说明仅仅是用于示例，而不限制本发明的范围。以下引用的参考附图称作附图。

附图说明

[0029] 附图1为用于连接阵列的MRAM单元的电学表示。

[0030] 附图2为2×2阵列的MTJ部件的示意立面图。

[0031] 附图3示出了位(2，2)上的写入操作，其导致2排中的元件以及2列中的元件的半选择。

[0032] 附图4示出了在沿着MRAM元件的难磁化轴和/或易磁化轴施加磁场时，2
240×120nm 的稳定区的不同切换速度的函数曲线。

[0033] 附图5示出了240×120nm2MRAM元件的稳定写入磁场窗口。

[0034] 附图6根据本发明的一个实施例，示出了配有一个附加行和一个附加列的参考存储元件的存储块。

[0035] 附图7根据本发明的一个实施例，示出了配有两个附加行和两个附加列的基准的参考存储元件的存储块。

[0036] 附图8示出了硬盘驱动器中的写入过程。

[0037] 附图9为硬盘驱动器的顶视图。

[0038] 附图10为基于探针的数据存储器的部分分离图。

[0039] 在不同的附图中，相同参考数字指代相同或相似的元件。

具体实施方式

[0040] 根据特殊实施例以及参照一些附图描述本发明，但本发明并不限于此而仅由权利要求所限定。所描述的附图仅仅图示性的而非限制性的。在附图中，为说明的目的，放大了一些元件的尺寸而没有按比例进行绘制。本发明的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”的地方，并不排除包括其他元件或步骤。当指代单数名词所使用的不定冠词和定冠词，例如“一”或“一个”、“该”可以包括多个该名词，除非另外有特定的说明。

[0041] 当前许多公司考虑将磁或磁阻随机访问存储器(MRAM)作为快闪存储器的接替者。其有能力替代除了最快的静态RAM(SRAM)存储器之外的所有存储器。其是非易失性存储器件，这意味着不需要电源来维持所存储的信息。这是其优于大多数其它类型的存储器的优势。

[0042] MRAM概念最初由Honeywell Corp.USA开发，并且使用磁多层器件中的磁化方向作为信息存储，并且所得到的阻抗差用于信息读出。与所有的存储器件相同的是，MRAM阵列中的每一单元必须能够存储表示“1”或“0”的至少两个状态。

[0043] 存在不同种类的磁阻(MR)效应，其中当前最重要的是巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)。GMR效应和TMR或磁隧道结(MTJ)或自旋相关隧道(SDT)效应使得有可能实现非易失性磁存储器等。这些器件包括薄膜堆，其中至少两个薄膜是铁磁或亚铁磁，并且其通过非磁性隔层分开。GMR是用于带有导体隔层的结构的磁阻，而TMR是用于带有电介隔层的结构的磁阻。如果在两个铁磁或亚铁磁薄膜之间放置非常薄的导体，那么当薄膜的磁化方向平行时，该复合多层结构的有效面内阻抗最小，并且当薄膜的磁化方向反平行时最大。如果将薄膜电介隔层放置在两个铁磁或亚铁磁薄膜之间，观察发现当薄膜的磁化方向平行时，薄膜之间的隧道电流最大(或者于是阻抗最小)，并且当薄膜的磁化方向反平行时，薄膜之间的隧道电流最小(或者于是阻抗最大)。

[0044] 磁阻通常测量为从平行磁化状态变为反平行磁化状态的上述结构的阻抗的百分比增加。TMR器件比GMR结构具有更高的百分比磁阻，并从而能够用于更高的信号和更高的速度。最近的结果表明，隧穿具有超过40％的磁阻，相比之下良好的GMR单元中的磁阻为6-9％。

[0045] 仅作为示例，本发明用于MRAM。MRAM包括多个设置成阵列的多个磁阻存储器单元1。图1中所示为一个这种现有技术的存储器单元1。每一存储器单元1包括磁阻存储元件2、数字线4和位线6的第一交点、位线6和字线8的第二交点。该存储器单元1通过位线6串联耦合成列并通过数字线4和字线8串联耦合成行，从而形成阵列。所使用的磁阻存储元件2例如可以是磁隧道结(MTJ)，但并不限于此。

[0046] 通过将MTJ存储元件2连接到电路中使用，使得从电流从其中一个磁性层垂直地流经通过元件2到达另一层。该MTJ单元1可以通过与诸如晶体管T的开关元件串联的电阻R电学地表示，如图1中所示。电阻R的阻抗大小取决于存储元件2的磁性自由层和钉扎层的磁向量的方向。当该磁向量指向相反方向时，MTJ元件2具有相对较高的阻抗(HiRes)，并且当该磁向量指向相同的方向时，MTJ元件2具有相对较低的阻抗(LoRes)。

[0047] 图2中所示的示意立面图为2×2阵列的现有技术存储器单元。在包括多个MRAM单元的MRAM阵列中，垂直的导电线4、6在每一位或存储器单元2的下面和上面通过，携带产生切换磁场的电流。每一位的设计，使得当电流仅仅应用到一个线上时其不会切换，但是当电流通过在所选择的位交叉的两个线4、6时才切换(只有当自由层的磁向量与切换磁场的方向不一致时，才会出现切换)。

[0048] 在MTJ存储器单元和单元1的阵列中设置有数字线4和位线6，其中数字线4在该存储元件2的一侧沿着阵列的行布置，并且位线6在该存储元件2的另一侧沿着阵列的列布置。为了清楚，图2中的结构需要部分反向：数字线4物理地在该MTJ元件2的下面穿过(在该MTJ元件2朝向其中设置有晶体管T的基层的侧边)，并且位线6物理地在该MTJ元件2的上面穿过(在该MTJ元件2背向其中设置有晶体管T的基层的侧边)。然而，如果那样画，位线6就会挡住磁阻元件2，其是该附图更相关的部件。

[0049] MTJ元件2为分层的结构，如附图2所示，其通常包括形成下电触点22的非磁性导体，磁性固定或磁性钉扎层10，置于钉扎层10上的电介质阻挡层14，以及置于电介质阻挡层14上的磁性自由层12，以及磁性自由层12上的上触点16。磁性钉扎层10和磁性自由层12都可以包括，例如NiFe，并且电介质阻挡层14可由例如AlOx制成。

[0050] 通过在其间具有电介质14的铁磁层或亚铁磁层10、12的夹层上施加小的电压，电子能够隧穿过电介质阻挡层14。

[0051] 磁性材料的钉扎层10具有总是指向相同方向的磁向量。自由层12的磁向量是自由的，但被所述涂层的物理尺寸约束成指向两个方向中的任一方向：与钉扎层10的磁化方向平行或反平行。

[0052] 该存储元件12通过互连层16以及多个金属化层18和通孔20与晶体管T连接。该存储元件12与该位线6之间存在电连接22。每一存储器单元1的晶体管T与地线24连接。

[0053] 在附图3中示意性地示出了包含磁存储元件32、32a、32b的2-D矩阵30的MRAM阵列，所述矩阵位于两组垂直电流线——字线8和位线6的交叉处。示出的阵列具有有限的尺寸，但在实际使用中可以是更大的尺寸。

[0054] 在写或编程模式中，所需的电流流经通过所选择的数字线4和位线6，使得在它们的交点产生峰值磁场，足以将该MTJ元件2的自由层12的极性切换，从而将该MTJ元件2的阻抗从LoRes(低阻抗)状态切换到HiRes(高阻抗)状态，或者相反(取决于电流通过位线6的方向)。同时，所选择的存储器单元1(位于所选择的数字线4与所选择的位线6的交点处的存储器单元)中的诸如晶体管T的开关元件处于截断状态，例如通过保持该字线8上的电压为高(在开关元件是晶体管T的情况下为0伏特)。所选择的数字线4和所选择的位线6中的电流是这样的：它们一起提供的磁场可以改变所选择的存储元件的自由层的磁向量的方向，但是任一条中的电流都不能改变存储状态。因此，只写入所选择的存储元件，而不写与所选择的数字线4或位线6相同线上的任何其它存储元件。

[0055] 在元件32的切换时，两个垂直电流线4、6用于产生其振幅在选定位32a处为最大的面内磁场矢量。可是，两个磁场分量沿着选定的电流线4，6(附图3)都可以影响其他的磁元件32b。这种情况通常称作“半选择”，并决定磁位32b(非选定的)的加速驰豫。在写入操作过程中，阻止由半选择影响的所有位32b的热弛豫的能量壁垒显著下降。因此，对于其中以相似高频发生的读和写操作的嵌入MRAM存储器，积聚的半选择时间例如为降低能量的壁垒(barrier)限定期望的热驰豫时间。另一方面，对于写少读多(WORM)类型的MRAM，由磁岛的超顺磁限制更适合地设定所述热稳定性。

[0056] 由于能量壁垒在半选择期间的可能降低，使得MRAM中的磁位的数据保持或热稳定性成为关键问题，其对于更小的元件变得更严格，例如更高的密度。两个明显的解决方法为：(1)增加元件的纵横比(形状各向异性)，产生更高的切换磁场，进而产生更高的功率消耗(～R.I2)，或者(2)增加相同纵横比元件的尺寸，产生更小的存储密度进而产生更大的存储。鉴于最优化数据容量和最小化电力消耗的所需条件，这些解决方法没有一个是适合的。

[0057] 使用关系式

[0058]

[0059] 可计算热激活切换或弛豫时间ts，其τ0指代尝试频率(v～109Hz)；而Δ为阻止热弛豫的本征能量壁垒，其由于半选择场的存在降低了ΔEHS。

[0060] 在附图4中，为具有4nm NiFe自由层的240×120nm2的椭圆形MRAM元件计算弛豫时间。获得典型的星状曲线(以0k计算的标记0和X)，其也被称作Stoner-Wohlfarth星状线。以不同的稳定性判据对照该曲线。实线曲线40、41、42、43、44、45按照施加的磁场函数，绘制单一理想化粒子对于或左或右的磁化点稳定性的边界。图的轴对应易磁化轴和难磁化轴，即平行于或垂直于晶体各向异性优选的方向。不同实线曲线40、41、42、43、44、45之间的区域表示磁场，其可用于非选定位以便对于相应的1秒、1分钟、1小时、1天、1个
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月以及1年保持热稳定性。应当注意到，10 读/写周期的数据保持规格对应适于10纳秒半选择脉冲时间的～3个1/2月的有效时间。这种稳定性所需条件产生稳定的写入磁场窗口，如附图5中暗区50所示。这些暗区50中的每个点示出了根据易磁化轴和根据难磁化轴的磁场合并，这种合并可用于写存储元件并使得每个磁场(根据难磁化轴或根据易磁化轴)分别不足以切换存储元件。

[0061] 由于磁元件的形状和几何形状(平版印刷、边缘粗糙性和微磁性)以及产生的芯片内磁场分布所引起的切换磁场分布，强烈地影响热稳定性的所需条件。容差或余量必须被设置以克服这些处理变化。另一方面，根据指数关系，这些小的改变在热稳定性分析中是非常重要的，这可在附图4中清楚地看出。

[0062] 根据本发明的一个实施例，磁弛豫模拟器配有用于储存数据的存储元件阵列。模拟器用于在储存数据的存储元件需要更新时进行计算。模拟器可以包括具有尺寸小于实际数据存储所用的最小尺寸的尺寸范围的参考磁元件或位。这是为了以实际存储元件和相关磁场源的尺寸和物理特性反应统计分布。另外，可包含具有不同尺寸的阵列元件，以便得到更精确印记的热稳定性，所述印记为体积的强函数，并由此获得固定层厚度的尺寸。通过具有不同尺寸的探测元件，能够监视衰减并采取适当的对策。对于给定实例，这意味着MRAM不仅包含存储元件2也包含参考存储元件阵列。参考存储元件或位具有这样的尺寸，即使其磁化在比存储元件2或位的最小期望弛豫时间更短的时间内弛豫的尺寸。这样可使得参考磁存储元件的面积或纵横比或是二者不同于实际存储元件的面积或纵横比或是二者。

[0063] 磁化的探测，或参考磁存储元件或位的存储电流，允许检测存储元件2或位中磁化驰豫的可能开始，进而告知存储元件2或位的重写(再磁化)是必要的。可通过行、列或区段构建这样的方案。

[0064] 不同的实施例能够仅在测试本身特性的基础上产生不同的测试策略。策略必须能够区别由于写操作引起的可能热稳定性之间的差别，或由于温度或磁场影响而产生的更多的普通问题。

[0065] 就整个芯片的测试结构而言，可根据类似温度或磁场的可能环境影响在操作期间正常的间隔时，如导入系统时进行检查。根据测试的输出结果，公布整个存储器是被破坏，例如在过高的磁场中进行再磁化，或在过高的温度中全部是随机的。测试结构可以是单独的或与一个相合并的温度和/或磁场监视部件。如果存在备份，可重置存储器。在这种情况下，以一定周期进行备份是重要的。如果测试指出，部分存储器可能被破坏，则重写(该部分)存储器。

[0066] 能够以多种方式在存储器阵列实现预置参考磁存储元件。优选实施例包括由于其中一个电流，即附图3中线6内的位电流能够双向施加，来检查逻辑‘0’和‘1’两个逻辑状态的半选择操作的可能性。一种选择是简单地为MxN存储块增加额外的行0和/或M+1，以及列0和/或N+1，如附图6中实施例所示，其中这些附加的行和列包括参考存储元件60、60b、60c、60d，其具有使其磁化在比存储元件或位32、32a、32b的最小期望弛豫时间短的时间内驰豫的尺寸。在附图6给出的实例中，参考磁存储元件60、60b、60c、60d具有被实际存储元件32、32a、32b小的区域。当对存储元件32a编程时，为存储元件32a施加最高磁场，为同一行上的所有存储元件32b施加与目标存储元件32a相同的首先部分磁场，并为同一列上的全部存储元件32b施加与目标存储元件32a相同的第二部分磁场。特别地，第一部分磁场施用于参考磁存储元件60b，而第二部分磁场施用于参考磁存储元件60c。第一和第二部分磁场是这样的，使其联合效应产生足以切换存储元件32a的磁场，但每个单独磁场不足以切换任何的存储元件32b。根据可被预编程的程序表探测参考磁存储元件60、60b，
60c的磁化，或根据磁性元件或位的已知物理性能，模拟器、数据存储器内部运行的虚拟模拟器、或对数据存储器单独运行的详细虚拟模拟器的早先性能修改其磁化。非常简单的程序表可以在每次写或读操作之后，或预定数量的写或读操作之后确定探测参考磁存储元件。当检测参考磁存储元件60、60b、60c之一的磁化弛豫时，重写整个存储器内容或部分内容。这样，不必实行重写操作，进而限制功率消耗和存储器停工。就MRAM而言，对于正常操作，热稳定性主要是写操作期间的问题，这是非常局部的操作，因为此时仅是沿着编程位和数位线的位具有阻止助热切换的更低的能量垒。原则上，这些线上的测试元件足以监视相邻元件中不期望的切换的可能性。在这种情况下，正性测试导致所有相邻元件的重写。就例如字并行写的策略而言，这意味着将重写整个存储器块。

[0067] 直接的解决方案是在每一行和/或列中添加具有逻辑0和1值的两个测试单元，如图7所示。热稳定试验将比较每个写操作之后选定线中的数值，或者例如在每几个写操作过程中矩阵内统计分布的数值。如果两种状态之间的电阻差值AR太小，这测试-0变成测试-1，或反之亦然。无论如何，其中一种状态改变，其检测矩阵内热弛豫可能开始。应当注意，因为尺寸不同，不能对标准元件进行比较。因此，例如在拐角处，可对不会或几乎不暴露于芯片内磁场的用作参考的特殊标准元件进行预编程。

[0068] 在写操作之后，例如对于字1000(第二实数据行)，可检查左边和右边上的参考磁存储元件的位情况。如果它们给出错误，则字可被读取或与原始数据进行比较，也就是说仍然可用，或对其简单地重写。另一方面，如果参考行上的任意参考位具有改变的位情况，则检测热弛豫的可能开始，并在首次重置所有参考位后读取或重写整个矩阵。

[0069] 根据一个可选实施例，可在存储器体系结构中实现包括预置元件的特殊试验结构。唯一的必要条件是芯片内电流或磁场以与功能位相似的方式影响参考磁存储元件。

[0070] 在相同构思例如增加参考磁存储元件来检测矩阵内热弛豫的可能开始的基础上，能够轻易地实现更复杂的实验特征。例如通过仅保持相同尺寸元件中的一个，比较具有小纵横比的参考磁存储元件的热稳定性，提供计算阵列中功能元件的这个最低需求的简单方法。

[0071] 此外，使用这个方法，由于改善写窗口的可能性，能够容忍大的处理变化。因此，对参考磁存储元件对于热稳定性的初始情况进行的定期检查，给出了重写全部阵列的执行/不执行信号，行、列或区段依赖于参考磁存储元件的结构。

[0072] 根据本发明的另一实施例，磁弛豫模拟器也可在形式上是虚拟的，所述形式包括编程到处数据存储器内部或与其相关的处理元件中的预测模型。所述处理器可以是微处理器或嵌入式处理机中心。所述处理器也可以是可编程门阵列如可编程序逻辑阵列(PLA)或可编程阵列逻辑(PAL)或现场可编程门阵列(FPGA)。在磁存储元件的热弛豫和其中发生的物理过程，如由于数值的写入而引起的磁化切换之间设定的关系的基础上，通过预测磁存储元件的热弛豫实现所述模拟。优选地，所述模型具有能够预测“硬件”模拟器，即具有上述参考存储元件的模拟器实际性能的足够的复杂度。该复杂度的获得是取决于将存储磁性元件或位的实际物理和操作特性认识到足够精确的水平而作为模型的初始输入数据。另外，必须以将“硬件”模拟器内部发生的物理过程模拟至非常高的精确度级的方法构造所述模型。上述虚拟模拟器需要大的处理开销，或用以“实时”运行的极快的处理基础结构。可如果简化模型用于模拟具有实际使用所需的足够准确度的“硬件”模拟器，则可放宽上述技术条件。

[0073] 作为可选方案，可“离线”，即不实时地运行极精确的虚拟模拟器，并且以装置能够访问以便控制装置操作的方式将结果存储在数据存储器中。

[0074] 在所述数据存储器中也可将硬件模拟器与虚拟模拟器串联使用，另一变化是接合更复杂的虚拟模拟器的结果使用硬件模拟器，所述结果已经以可访问的方式存储在数据存储器内。

[0075] 根据本发明的模拟器的另一实施例，例如可用于基于硬盘的数据储存系统。

[0076] 在硬盘驱动器中的写入过程由沿着介质内狭窄环形轨道的磁化区域或畴80、80a、80b、80c、80d构成，所述介质具有外加磁场(参见附图8)。可借助写磁头磁极81和写磁头线圈82产生上述外加磁场。磁场的方向限定了将被写的领域80、80a、80b、80c、80d的磁化。
编码将被写的数据，使得两个相反磁化畴80a、80b之间的转换83对应第一二元状态，例如“1”，以及两个同向磁化的畴80c、80d之间的转换84欠缺对应第二二元状态，如“0”，否则反之亦然。外部时钟用作限定转换“1s”或缺少转换“Os”的位置的参考。通过检测转换83存在或转换84欠缺实现回读，其对于磁盘平面内磁化介质的情况，对应检测源自转换的发散磁场的垂直分量。目前，配置在浮动磁头(未示出)中的GMR传感器85用于位检测。

[0077] 硬盘驱动器利用嵌入在公知为扇区91的数据子部开始处发现的特殊首部的予段90中嵌入的伺服信息(参见附图9)。这些首部90用于借助浮动磁头(未示出)、轨道92的识别以及扇区91的识别参与轨道92的追踪。数据文件可以在基于硬盘的物理扇区91之间再分，或扇区91可包含几个小数据文件。

[0078] 通过将位的参考模式写入磁盘上的预定范围内，可在硬盘介质磁盘片中实现根据本发明实施例的磁弛豫模拟器。上述区域可嵌入每个扇区91的首部90中，或嵌入每个轨道92上的单独区域中，或嵌入单独的预定轨道91中。位图案被构造得使其包含许多相对磁化的畴，其拥有初始明确限定的磁体积和边界。选择磁体积使其在时标上承受可检测的磁弛豫，所述时标比包含存储数据的区域内转换之间的最短距离所限定的磁体积所用的短。

[0079] 参考位图案可由一个或多个同样地大小的磁体积，或允许可探测的驰豫时间分布的磁体积范围构成。

[0080] 借助每个磁体积内部的单独颗粒的随机的、热引导反向磁化进行参考图样内的磁弛豫。这可导致通过输出写入磁畴变成“消磁”的磁体积分成等数量的不稳定的小磁体积。这可产生在从参考位回读过程中显示大背景噪声的介质。另外，由于接近转换存在的更大消磁磁场的增加影响，使得接近畴(转换)之间边界的颗粒更倾于方向。这可引起变得更不明确且最后“自擦除”的畴之间的转换。这导致来自变得嘈杂的转换的回读信号并最好导致变得不可检测的转换。

[0081] 因此，可通过监视从参考图样到信噪比的背景信号，监视从参考图样的转换噪音或转换内的参考图样变得不能被检测时进行监视，探测参考位的磁弛豫。

[0082] 后者是更优选的方法，因为其允许与将被探测的某一尺寸的预定磁体积相关联的单独转换。

[0083] 根据本发明的模拟器的一个实施例，例如也可用于基于探测的数据存储器。在附图10中示出了基于探针的系统的实例。上述装置通常由使用MEMS(微机电系统)工艺，也就是说用于访问写入单独介质96内的工艺制造的探针阵列95所组成。与介质绕中心轴的基于磁盘的系统相比，在基于探针的系统，介质96和探针阵列95在由致动器97驱动的XY光栅模式中相互移动。

[0084] 基于探针的数据存储器可运用类似于关于基于硬盘系统所描述的连续介质读取、写和编码方法。基于探针的系统也可使用构图成单独元件的介质，这些元件拥有垂直于介质96平面的磁化。类似于硬盘，通过将元件磁化与拥有适当偏振的外加磁场相对准写入数据。第一二元值，如“1”，可由朝探针阵列偏离介质平面对准其磁化的元件所表示，并且第二二元值，如“0”，由以方向对转其磁化的元件表示。经由具有单独磁元件的单独探针的交互作用，通过检测单独磁元件的磁化方向执行读取。这可通过检测发散磁场方向予以实现，所述方向与来自磁元件的位磁化方向直接相关。存在几种探测发散磁场的方向，其包括使用设置在探针上的GMR或TMR，或在与一个元件的发散磁场相互作用时监视永久磁化探针的偏转。

[0085] 根据本发明一个实施例的磁化弛豫模拟器可在按照以下方式合并有构图介质96的基于探针的数据存储器中实现。在介质制造过程中，构图同样大小元件的阵列以便形成数据存储所用的单独数位位置。通过限定介质96上的区域实现模拟器，在所述区域中元件或元件组拥有小于存储数据元件的尺寸(磁体积)。参考磁存储元件的尺寸使其磁化驰豫时间比数据元件的短。通过将参考磁存储元件在某些预定时刻处的磁化与其最初的预定磁化相比较，检测参考磁存储元件的磁弛豫。两个元件之间的任意不匹配将暴露参考磁存储元件中的磁化由于随机的热波动而驰豫，以及存储在数据元件中的信息将被更新。

[0086] 参考磁存储元件可被指定为数据元件的行或列，在将信息写入相应行或列的时刻设定参考磁化。因此，参考磁存储元件不必位于其相应的数据元件附近，也不必在写入任何数据的同时设定其参考磁化。

[0087] 假若参考磁存储元件位于数据元件附近，则便于将其设置在扇状介质子区的首部。

[0088] 可限定参考磁存储元件的参考磁化以便形成具有平行或反平行磁化的某种图案的元件。参考磁存储元件可形成元件组，每组包含具有尺寸分布以及磁弛豫时间分布的元件。通过按照元件尺寸函数监视磁化弛豫的发展，可实现位元件的更新的预测控制。

[0089] 应当理解，尽管在此已经描述了适于本发明装置的优选实施例、特殊结构以及材料，但在不脱离本发明范围和精神的情况下可在形式和细节上进行各种改变和修改。