(57)【要約】実際のデータ記憶のために使用される最小サイズよりも小さな磁気体積の範囲を有する参照磁気要素またはビットが、データ記憶デバイス内に書き込まれる、またはパターン化される。参照要素またはビットは、記憶要素またはビットの最短予想緩和時間よりも短い時間で磁化が緩和するような寸法を有する。参照要素またはビットの磁化のプローブが、記憶要素またはビットでの磁化緩和の発生可能性の検出を可能にし、それにより、記憶要素またはビットの書換え（再磁化）が必要であることを合図する。そのような方式は、行、列、またはセクタにわたって組織することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
データ記憶のための磁気記憶要素のアレイを備える磁気メモリ・デバイスであって、前記メモリがさらに、前記磁気記憶要素の熱緩和の発生をシミュレートするための磁化緩和シミュレータを備える磁気メモリ・デバイス。
【請求項２】
前記シミュレータが、前記磁気記憶要素の熱緩和の発生を検出するための参照磁気記憶要素の、少なくとも１つの要素または要素のアレイを備える、請求項１に記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項３】
各記憶要素が磁気体積を有し、前記参照磁気記憶要素が、実際のデータ記憶のために使用される最小磁気体積よりも小さな磁気体積を有する、請求項２に記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項４】
記憶または参照要素の磁気体積が、その縦横比に関係している、請求項３に記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項５】
記憶または参照要素の磁気体積が、その面積に関係している、請求項３または４のいずれかに記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項６】
前記シミュレータが、磁気記憶要素の熱緩和の予測モデルを含む処理要素を備える、前記請求項のいずれかに記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項７】
前記メモリが磁気データ記憶デバイスである、前記請求項のいずれかに記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項８】
前記磁気記憶要素または参照要素が、磁性材料の連続する薄膜内部に含まれている、前記請求項のいずれかに記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項９】
前記磁気記憶または参照要素が、個々の要素にパターン化されている磁性材料の連続する薄膜によって画定される、前記請求項のいずれかに記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項１０】
前記磁気記憶または参照要素が、事前定義されたパターン化構造内部への個々の磁気要素の形成によって画定される前記請求項のいずれかに記載の磁気メモリ・デバイス。
【請求項１１】
磁気データ記憶デバイス内での熱緩和の発生可能性を求めるための方法であって、磁気記憶要素の熱緩和の発生をシミュレートすることを含む方法。
【請求項１２】
前記磁気記憶デバイスが、データ記憶要素および参照磁気記憶要素を備え、前記方法が、前記磁気記憶デバイス内の前記参照磁気記憶要素の少なくとも１つの熱安定性の尺度として、参照磁気記憶要素の磁化状態を比較することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
磁気記憶要素の熱緩和と、要素に生じる物理的なプロセスとの確立された関係に基づいて磁気記憶要素の熱緩和を予測することを含む請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
データ記憶要素をリフレッシュするか否かを決定する目的での請求項１１から１３に記載の方法の使用。
【請求項１５】
データ記憶要素をプログラムする際の、請求項１４に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリまたはデータ記憶デバイスに関し、より詳細には、小さなサイズ、すなわち１００ｎｍ以下のオーダーの磁気要素を有する磁気メモリ・デバイスに関する。より詳細には、本発明は、磁気データ記憶デバイスでの熱緩和の発生可能性を検出するための方法およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
データ記憶デバイスにおける磁性材料の使用は、データ記憶媒体（ハードディスク、光磁気ディスク、フロッピー・ディスク、テープ、ＭＲＡＭデータ記憶層／要素など）、リードバック・センサ（ＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲハードディスク・ヘッド、ＭＲＡＭ検知要素など）、または書込み要素（ハードディスク、光磁気ディスク、フロッピー・ディスク、およびテープ書込みヘッド・フラックス・ガイドなど）として良く確立されている。
【０００３】
近年、ハードディスク記録の分野では、磁気記憶デバイスの急速な進化の中で、面積密度（またはビット密度）、すなわち記録媒体の表面積の１単位平方（例えばセンチメートルの２乗）に記憶することができるデータの量が最も重要な因子になっている。データ容量を高めるために、ビット（および、それゆえ磁区）のサイズの急激な縮小が実現されてきた。記録媒体の信号対雑音比は、粒子の数に大きく関係付けられている。面積密度を高めるためにビット・サイズが縮小されるとき、受け入れることができる信号対雑音比を保証するのに充分なビット当たりの粒子を保つために、媒体の各ビットでの平均粒子体積も低減される。
【０００４】
一般に、磁石の磁化は、ランダムな熱変動（ｋＢＴ）が、時として外部磁場の影響と組み合わされて、材料の磁気（異方性）エネルギー（ｋｕＶ）を超えることにより、時間と共に減衰する。（ハードディスク媒体またはＭＲＡＭ記憶要素内などの）非相互作用の粒子では、これは、熱エネルギーが磁気エネルギーと等しくなる、またはそれよりも大きくなるのに充分なほど体積が小さくなるときに大きな問題となる。すなわち、この時点では、粒子は超常磁性になる、すなわち、粒子の磁化が、短い時間尺度でランダムに切り換わる。超常磁性限界で、磁性粒子は、実用的に有用な時間量にわたって安定な磁化を維持することができないほど小さく、そのためデータ損失をもたらす。この物理的な限界は、温度と、磁性材料の物理的および構造的特性とに依存する。ビットまたはメモリ要素（および、それゆえ磁区）のサイズは、物理的な限界として無限に縮小することはできず、上述した超常磁性限界は、最小の磁気的に安定な体積に関して存在する。熱擾乱の影響を受け易い粒子磁化は、（ハードディスク内での）信号対雑音比の低下をもたらし、最終的には、ビットまたはメモリ要素が効果的に「自己消去（self-erase）」するので、（ハードディスクとＭＲＡＭの両方で）データの損失をもたらす。大きな固有異方性定数、または大きな形状異方性（例えば細長い長円面）を有する材料の使用が、この超常磁性限界の発生を遅延させることができる。
【０００５】
ハードディスク記録の分野では、データ記憶媒体の熱安定性を向上させるために、いくつかの方策を使用する場合がある。
【０００６】
第１の方策として、反強磁性結合（ＡＦＣ）媒体が、近年、富士通およびIBM、E.Abarra他「Longitudinal recording media with thermal stabilization layers」（J.Appl.Phys.Lett.77,(2000)P.2581）、E.Fullerton他「Antiferromagnetically coupled magnetic media layers for thermally stable high-density recording」（J.Appl.Phys.Lett.77，(2000)P.3806）によって述べられている。積層反強磁性（ＡＦＣ）媒体と呼ばれるそのような媒体は、薄いＲｕ中間層を介して交換結合された、厚さが異なり、面内磁気異方性を持つ２つの従来の結晶性データ記憶層からなる。この手法は、各ビットの実効磁気体積を効果的に増大することによって、熱変動に対して媒体を安定化する。
【０００７】
K.Ouchi「Recent Advancements in Perpendicular Magnetic Recording」（IEEE Tran.Magn.37(2001)P.1217）に述べられているように、垂直磁気異方性を持つ媒体の使用も、大きな一軸異方性エネルギーを有する媒体を設計することができるので、熱安定性を高める。さらに、より大きなビット磁気体積をもたらすより薄い磁性層を、垂直記録方式と共に使用することができる。
【０００８】
第３の方策は、通常は垂直磁気異方性を持つ、小さな物理的に隔離された磁気島からなるパターン化された媒体の使用に切り換えることである。適切な寸法の場合、そのような島は、高い形状異方性を持ち、または磁区を支持できないほど小さく、したがって高い熱安定性を示す。これは、M.Albrecht他「Thermal stability and recording properties of sub-10nm patterned CoCrPt perpendicular media」（J.Appl.Phys.Lett.91(2002)，P.6849）で述べられている。
【０００９】
また、小さな磁気島は、ＭＲＡＭデバイスのメモリ要素にも必要とされる。この場合も、そのような要素の熱安定性は、高い固有磁気異方性を持つ磁性材料の使用によって、または大きな形状異方性を有するように磁気島の形状を設計することによって高めることができる。
【００１０】
上述した安定化方策のいずれが使用されたとしても、磁気データ記憶媒体とＭＲＡＭはどちらも、最終的には上述した超常磁性限界にぶつかる。
【００１１】
ＭＲＡＭデータ記憶要素と磁気記録媒体はどちらも、連続する薄膜内に書き込まれる熱磁気的に安定なデータ記憶要素、島、またはビットの最小サイズを規定する超常磁性限界を受ける。そのような状況を簡単に回避することができなければ、超常磁性限界によって規定される最小値よりも実質的に大きな磁気体積を持つ次善の寸法のメモリ要素またはビットを、一定の時間間隔でリフレッシュしなければならない、または書き換えなければならない。磁気体積は、要素またはビット・サイズの統計的なばらつき、および熱変動のランダムな性質を補償する公差を含むように、超常磁性限界よりも実質的に大きくしなければならない。これは、制限されたデータ容量、高い電力消費、およびリフレッシュ操作中の強制的なメモリ「休止時間」をもたらす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、最小可能寸法を有し、したがってデータ容量を最大にする磁気要素またはビットであって、その磁化が適切な時間にリフレッシュされ、したがって電力消費およびメモリ休止時間を最小にする磁気要素またはビットの使用を可能にする方法およびデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した目的は、本発明によるデバイスおよび方法によって達成される。本発明は、データを記憶するために使用される磁気要素をリフレッシュする必要がある時を推定するために使用することができる磁化緩和シミュレータを提供する。
【００１４】
シミュレータは、単一のサイズもしくは磁気体積を有する、またはある範囲のサイズもしくは磁気体積を有する参照磁気要素またはビットの１つのアレイ、または複数のアレイを備え、参照磁気要素またはビットは、データ記憶デバイス（ＭＲＡＭメモリ・アレイまたは磁気媒体）内に書き込まれるか、またはパターン化される。参照磁気要素またはビットは、データが記憶される実際のメモリ要素またはビットの、物理的な不均一さを含めた、サイズおよび磁気的特徴の統計的な範囲または分布を反映するように、サイズもしくは磁気体積の範囲または分布を持つ場合がある。参照要素またはビットは、真のデータを記憶するために使用される記憶要素またはビットの最短予想緩和時間よりも短い時間で熱変動によって磁化が緩和されるようになっている。例えば、参照磁気要素は、実際のデータ記憶のために使用されるメモリ要素の最小サイズよりも意図的に小さく設計される場合がある。記憶要素の磁気体積は、例えば、その縦横比または面積に関係する場合がある。
【００１５】
参照要素またはビットの磁化のプローブが、データを記憶するための記憶要素またはビットでの磁化緩和の発生可能性の検出を可能にし、それにより、記憶要素またはビットの書換えまたはリフレッシュ（再磁化）が必要であることを合図する。そのような方式は、例えば行、列、またはセクタに結合された参照アレイを用いて組織することができる。
【００１６】
磁化緩和シミュレータは、仮想形式にすることもでき、データ記憶デバイス内部の処理要素にプログラムされた予測モデルを備える。好ましくは、モデルは、「ハードウェア」シミュレータ、例えば前の段落で述べたような参照記憶要素を有するシミュレータの実際の挙動を予測するのに充分な複雑さのものである。複雑さを得ることは、モデルのための初期入力データとして充分なレベルの正確さで、記憶磁気要素またはビットの実際の物理的特徴および操作上の特徴を分かっていることに依存する場合がある。さらに、モデルは、非常に高いレベルの正確さで「ハードウェア」シミュレータ内部で生じる物理的なプロセスをシミュレートするように構成されなければならない場合がある。そのような仮想シミュレータは、「リアルタイム」で実行するためには、大きな処理オーバヘッド、または非常に速い処理インフラストラクチャを必要とする場合がある。そのような要件は、実際に使用するのに充分な正確さで「ハードウェア」シミュレータをシミュレートするために単純化されたモデルが使用される場合に緩和される場合がある。
【００１７】
代替形態として、非常に正確な仮想シミュレータを、リアルタイムではなく「オフライン」で実行することができ、その結果は、デバイスの操作を制御するためにデバイスによってアクセス可能なように、データ記憶デバイス内に記憶することができる。
【００１８】
また、仮想シミュレータを、データ記憶デバイス内部でハードウェア・シミュレータと連係させて使用することもできる。さらなる変形形態は、データ記憶デバイス内部にアクセス可能な様式で記憶されているより複雑な仮想シミュレータの結果と組み合わせて、ハードウェア・シミュレータを使用するものである。
【００１９】
本発明は、データ記憶のための磁気記憶要素のアレイを備える磁気メモリ・デバイスを提供する。このメモリは、さらに、磁気記憶要素の熱緩和の発生をシミュレートするための上述したような磁化緩和シミュレータを備える。メモリは、例えば、ＭＲＡＭ、磁気ディスク・デバイス、光磁気ディスク・デバイス、磁気テープ・デバイス、またはプローブ・ベースのデバイスなど磁気データ記憶デバイスであってよい。
【００２０】
メモリ・デバイスの磁気記憶要素は、磁性材料の連続する薄膜内部に含めることができる。一実施形態によれば、それらは、個々の要素にパターン化されている磁性材料の連続する薄膜によって画定することができる。別の実施形態によれば、事前定義されたパターン化構造内部への個々の磁気要素の形成によって画定することができる。
【００２１】
また、本発明は、磁気データ記憶デバイスでの熱緩和の発生可能性を求めるための方法を提供する。この方法は、磁気記憶要素の熱緩和の発生をシミュレートすることを含む。
【００２２】
磁気記憶デバイスが、データ記憶要素および参照磁気記憶要素を備える場合、磁気記憶デバイス内の参照磁気記憶要素の少なくとも１つの熱安定性の尺度として、参照磁気記憶要素の磁化状態を比較することによってシミュレーションを行うことができる。
【００２３】
別法として、磁気記憶要素の熱緩和と、値の書込みによる磁化の切換えなど、要素に生じる物理的なプロセスとの間の確立された関係に基づいて磁気記憶要素の熱緩和を予測することによってシミュレーションを行うことができる。
【００２４】
また、本発明は、データ記憶要素をリフレッシュするか否かを決定する目的での、磁気データ記憶デバイスでの熱緩和の発生可能性を求めるための方法の使用を提供する。これは、データ記憶要素をプログラムする際に行われる場合がある。
【００２５】
本発明のこれらおよびその他の特徴、機能、および利点は、例として本発明の原理を図示した添付図面と関連付けられた、以下の詳細な説明から明らかになろう。本記述は、本発明の範囲を限定せずに、単に例示のために与えられている。以下に引用する参照番号は、添付図面に関連する。  
異なる図において、同じ参照番号が、同じまたは類似の要素を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明を、特定の実施形態に関して、いくつかの図面を参照して説明するが、本発明はそれに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。描かれている図面は、単に概略的なものであり、非限定的なものである。図面中、例示の目的のために、いくつかの要素のサイズが誇張され、縮尺通りに描かれていない場合がある。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」（「備える」または「含む」）は、本記述および特許請求の範囲において使用されるとき、他の要素またはステップを除外しない。単数名詞に言及する際に不定冠詞または定冠詞、例えば「ａ」もしくは「ａｎ」、「ｔｈｅ」が使用されるとき、これは、特に別段の指定をしない限り、その名詞の複数を含む。
【００２７】
磁気または磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、現在、多くの企業によってフラッシュ・メモリの後継と考えられている。ＭＲＡＭは、最速の静的ＲＡＭ（ＳＲＡＭ）メモリ以外の全てに取って代わる可能性を有する。ＭＲＡＭは不揮発性メモリ・デバイスであり、これは、記憶された情報を維持するために電力が必要ないことを意味する。これは、ほとんどの他のタイプのメモリに勝る利点と見られる。
【００２８】
ＭＲＡＭの概念は、元来、Honeywell Corp.(USA)で開発され、情報記憶として磁気多層デバイス内の磁化方向を使用し、その結果生じる抵抗差を情報読出しに際して使用するものである。多くのメモリ・デバイスと同様に、ＭＲＡＭアレイ内の各セルは、「１」または「０」を表す少なくとも２つの状態を記憶することができなければならない。
【００２９】
様々な種類の磁気抵抗（ＭＲ）効果が存在し、そのうち、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）およびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）が現在最も重要なものである。ＧＭＲ効果およびＴＭＲ、または磁気トンネル接合（ＭＴＪ）もしくはスピン依存トンネル（ＳＤＴ）効果は、例えば不揮発性磁気メモリを実現する可能性を提供する。これらのデバイスは、薄膜の層を備え、薄膜のうち少なくとも２つは強磁性またはフェリ磁性であり、それらは非磁性中間層によって離隔されている。ＧＭＲは、導体中間層を有する構造のための磁気抵抗であり、ＴＭＲは、誘電体中間層を有する構造のための磁気抵抗である。非常に薄い導体が２つの強磁性またはフェリ磁性薄膜の間に配置される場合、複合多層構造の実効面内抵抗は、薄膜の磁化方向が平行であるときに最小になり、薄膜の磁化方向が反平行であるときに最大になる。薄い誘電体中間層が２つの強磁性またはフェリ磁性薄膜の間に配置される場合、薄膜間のトンネル電流は、薄膜の磁化方向が平行であるときに最大（または、それゆえに抵抗が最小）と観察され、薄膜の磁化方向が反平行であるときに最小（あるいは、それゆえに抵抗が最大）である。
【００３０】
磁気抵抗は、通常平行の磁化状態から反平行の磁化状態へ向かって、上述した構造の抵抗のパーセンテージの増加として測定される。ＴＭＲデバイスは、ＧＭＲ構造よりも高いパーセンテージの磁気抵抗を提供し、したがって、より大きい信号およびより高い速度の実現性を有する。近年の結果は、良好なＧＭＲセルでの６〜９％の磁気抵抗に比べて、トンネル効果が４０％を超える磁気抵抗を与えることを示している。
【００３１】
単に一例として、本発明はＭＲＡＭに適用される。ＭＲＡＭは、アレイ内に配列された複数の磁気抵抗メモリ・ユニット１を備える。１つのそのようなメモリ・ユニット１が図１に示されている。各メモリ・ユニット１が、磁気抵抗メモリ要素２、ディジット線４とビット線６との第１の交差点、およびビット線６とワード線８との第２の交差点を備える。メモリ・ユニット１は、ビット線６によって縦列で直列に結合され、ディジット線４およびワード線８によって横行で直列に結合され、それによりアレイを形成する。使用される磁気抵抗メモリ要素２は、例えば磁気トンネル接合（ＭＴＪ）にすることができ、しかしそれに限定されない。
【００３２】
ＭＴＪメモリ要素２は、電気が要素２を通って磁性層の１つから別の磁性層へ垂直に流れることができるように、回路内に接続することによって使用される。ＭＴＪユニット１は、図１に示されるように、トランジスタＴなどのスイッチング素子と直列の抵抗器Ｒによって電気的に表すことができる。抵抗器Ｒの抵抗の大きさは、メモリ要素２の自由および固着磁性層の磁気ベクトルの向きに依存する。ＭＴＪ要素２は、磁気ベクトルが反対方向を指しているときに比較的高い抵抗（ＨｉＲｅｓ）を有し、磁気ベクトルが同じ方向を指しているときに比較的低い抵抗（ＬｏＲｅｓ）を有する。
【００３３】
従来技術メモリ・ユニットの２×２アレイの概略正面図が図２に示されている。複数のＭＲＡＭユニットを備えるＭＲＡＭアレイでは、直交する導電線４，６が、各ビットまたはメモリ要素２の下および上を通り、切換え磁場を発生する電流を搬送する。各ビットは、一方の線にのみ電流が印加されるときには切り換わらず、選択されたビットで交差する両方の線を通って電流が流れるときに切り換わるように設計される（切換えは、自由層の磁気ベクトルが、切換え磁場の方向と一致していない場合にのみ生じる）。
【００３４】
ディジット線４およびビット線６が、ＭＴＪメモリ・ユニット１のアレイ内に提供され、ディジット線４は、メモリ要素２の一方の側でアレイの横行に沿って進み、ビット線６は、メモリ要素２の反対の側でアレイの縦列を下って進む。図２の構造は、明瞭にする目的で一部逆になっている。すなわち、ディジット線４は、物理的には（トランジスタＴが提供される基板に対して向けられたＭＴＪ要素２の側面で）ＭＴＪ要素２の下を走っており、ビット線６は、物理的には（トランジスタＴが提供される基板から離れるように向けられたＭＴＪ要素２の側面で）ＭＴＪ要素２の上を走っている。しかし、そのように描かれた場合、ビット線６が、ＭＲＡＭのより重要な部分である磁気抵抗要素２を不明瞭にする。
【００３５】
ＭＴＪメモリ要素２は、図２に表されるように、通常は、下側電気接点２２を形成する非磁性導体と、固定または固着磁性層１０と、固着磁性層１０の上に位置決めされた誘電体障壁層１４と、誘電体障壁層１４の上に位置決めされた自由磁性層１２とを含む積層構造であり、自由磁性層１２の上に上側接点１６がある。固着磁性層１０および自由磁性層１２は、どちらも例えばＮｉＦｅから構成することができ、誘電体障壁層１４は、例えばＡｌＯｘから形成することができる。
【００３６】
誘電体１４を間に有する強磁性またはフェリ磁性層１０，１２のサンドイッチ構造にわたって小さな電圧を印加することによって、電子が、誘電体障壁１４を通ってトンネルすることができる。
【００３７】
磁性材料の固着層１０は、常に同じ方向を指す磁気ベクトルを有する。自由層１２の磁気ベクトルは、層の物理的なサイズによって制約される以外は自由であり、２つの方向、すなわち固着層１０の磁化方向と平行または反平行のどちらかを指す。
【００３８】
メモリ要素２は、相互接続層１６と、複数の金属被覆層１８およびバイア２０とによってトランジスタＴに接続される。メモリ要素２とビット線６との間に電気接続２２がある。各メモリ・ユニット１のトランジスタＴは、接地線２４に接続される。
【００３９】
２組の直交する電流線、ワード線８およびビット線６の交差点に位置された磁気記憶要素３２，３２ａ，３２ｂの２Ｄ行列３０からなるＭＲＡＭアレイが、図３に模式的に例示されている。示されているアレイは、限られたサイズを有するが、実際には遥かに大きなサイズが可能である。
【００４０】
書込みまたはプログラム・モードでは、必要な電流が、選択されたディジット線４およびビット線６を通って流れ、それにより、それらの交差点で、例えばＭＴＪ要素３２ａの自由層１２の極性を切り換えるのに充分なピーク磁場が発生して、ＭＴＪユニット３２ａの抵抗をＬｏＲｅｓ（低い抵抗）状態からＨｉＲｅｓ（高い抵抗）状態に、または（ビット線６を通る電流の方向によっては）その逆に切り換える。同時に、例えばワード線８での電圧を低く（スイッチング素子がトランジスタＴである場合には０ボルトに）保つことによって、選択されたメモリ・ユニット１（選択されたディジット線４と選択されたビット線６の交差点にあるメモリ・ユニット）内のトランジスタＴなどのスイッチング素子がカットオフ状態になる。選択されたディジット線４および選択されたビット線６での電流は、それらが合わされて、選択されたメモリ要素の自由層の磁気ベクトルの方向を変えることができる磁場を提供するようになっており、しかし、どちらか一方のストリップでの電流だけでは、記憶状態を変えることができない。したがって、選択されたメモリ要素３２ａのみが書込みを行われ、同じ選択されたディジット線４またはビット線６での他のメモリ要素３２ｂはどれも書込みを行われない。
【００４１】
要素３２の切換え時、２つの直交する電流線４，６が使用されて面内磁場ベクトルが生成され、その振幅は、選択されたビット３２ａで最大である。しかし、両方の磁場成分が、選択された電流線４，６に沿った他の磁気要素３２ｂに影響を及ぼす場合がある（図３）。この事象は一般に「ハーフセレクト（half-select）」と呼ばれ、（非選択の）磁気ビット３２ｂの緩和を加速する原因となる。書込み操作中、ハーフセレクトによって影響を及ぼされる全てのビット３２ｂの熱緩和に対するエネルギー障壁がかなり低下する。したがって、同様の高い周波数を用いて読取りおよび書込み操作が行われる埋込型ＭＲＡＭメモリでは、累積ハーフセレクト時間が、低下したエネルギー障壁に関する予想熱緩和時間を定義する。一方、WFRM(write-few read-many)タイプのＭＲＡＭでは、熱安定性は、磁気島に関する超常磁性限界によって定められる場合がある。
【００４２】
ハーフセレクト中に生じ得るエネルギー障壁の低下により、ＭＲＡＭ内の磁気ビットのデータ保持または熱安定性は重要な問題であり、これは、より小さな要素、すなわちより高い密度で、より厳しいものになる。２つの明白な解決策は、（１）要素の縦横比を高めること（形状異方性）であり、これは、より高い切換え磁場、したがってより高い電力消費（〜Ｒ．Ｉ２）をもたらし、または（２）等しい縦横比で、要素のサイズを増大することであり、これは、より小さなメモリ密度、したがってより大きなメモリをもたらす。これらの解決策はどちらも、データ容量の最大化および電力消費の最小化の要件に鑑みて受け入れることができない。
【００４３】
熱的に活性化される切換えまたは緩和時間ｔｓは、関係式
【数１】
2006511001.tif 000003
を用いて推定することができる。ここで、τ０は、試行周波数（ν〜１０９Ｈｚ）に関係し、Δは、熱緩和に対する固有エネルギー障壁であり、これは、ハーフセレクト場の存在によってΔＥＨＳだけ低下する。
【００４４】
図４で、この緩和時間が、４ｎｍＮｉＦｅ自由層を有する２４０×１２０ｎｍ２長円形ＭＲＡＭ要素に関して計算された。Stoner-Wohlfarthアステロイドとも呼ばれる、典型的なアステロイド曲線が得られる（記号ＯおよびＸ、０Ｋで計算）。この曲線が、様々な安定基準と対照される。実線の曲線４０，４１，４２，４３，４４，４５は、印加された磁場に応じて、磁化が左または右を指す単一の理想化された粒子に関する安定性の境界を描く。グラフの軸は、容易軸および困難軸の磁場、すなわち、結晶異方性によって好まれる方向に平行または垂直な磁場に対応する。様々な実線の曲線４０，４１，４２，４３，４４，４５内の領域は、それぞれ１秒、１分、１時間、１日、１ヶ月、および１年の時間にわたって熱安定性を保存するために非選択のビットに印加することができる磁場を表す。１０１５読取り／書込みサイクルのデータ保持仕様が、１０ナノ秒ハーフセレクト・パルス時間では、約３と１／２ヶ月の有効時間に対応することに留意されたい。この安定要件は、図５の暗い領域５０に示される安定な書込み磁場の窓をもたらす。これら暗い領域５０内の各点は、容易軸に従う磁場と困難軸に従う磁場との組合せを示し、これを使用してメモリ要素に書込みを行うことができ、（困難軸に従う、または容易軸に従う）各磁場が、単独ではメモリ要素を切り換えるのに充分でないものである。
【００４５】
熱安定性要件は、磁気要素の形態および幾何形状の変化（リソグラフィ、エッジラフネス、およびマイクロマグネティズム(micromagnetism)）と、オンチップ磁場の発生の分布とをもたらす切換え磁場分布によって大きな影響を受ける。これらのプロセス変動を克服するように、公差または余裕が設定されなければならない。一方、図４で明らかに見ることができるように、指数関数的な関係により、これらの小さな変化は熱安定性分析で非常に重要である。
【００４６】
本発明の一実施形態によれば、磁化緩和シミュレータが、データを記憶するためのメモリ要素のアレイを備える。シミュレータを使用して、データを記憶するメモリ要素をリフレッシュする必要がある時を推定することができる。シミュレータは、実際のデータ記憶のために使用される最小サイズよりも小さなサイズの範囲を有する参照磁気要素またはビットを備えることができる。これは、実際のメモリ要素および関連する磁場発生源のサイズおよび物理的特徴の統計的分布を反映するためである。さらに、より適正な熱安定度の効果を得るために異なるサイズを有する要素のアレイを含めてもよく、熱安定性は体積、したがって一定の層厚でサイズに強く依存する。異なるサイズを有する要素をプローブすることによって、減衰を監視することができ、適切な対応策を取ることができる。与えられた例では、これは、ＭＲＡＭが、メモリ要素２を含むだけでなく、参照メモリ要素のアレイも含むことを意味する。参照メモリ要素またはビットは、記憶要素２またはビットの最短予想緩和時間よりも短い時間で磁化が緩和するような寸法を有する。これは、参照要素の面積または縦横比、あるいはその両方を、実際のメモリ要素の面積または縦横比、あるいはその両方と違えるような形にすることができる。
【００４７】
参照要素またはビットの磁化、したがって記憶された内容のプローブは、記憶要素２またはビットでの磁化緩和の発生可能性の検出を可能にし、それにより、記憶要素２またはビットの書換え（再磁化）が必要であることを合図する。そのような方式は、行、列、またはセクタにわたって組織することができる。
【００４８】
様々な実施形態が、試験自体の性質のみに応じて様々な試験方策をもたらすことができる。書込み操作によって生じ得る熱安定性の問題と、温度または磁場の影響によるより一般的な問題との違いを区別できなければならない。
【００４９】
チップ全体のための試験構造の場合、操作中に一定の間隔で、または例えばシステムを起動するときに、温度または磁場など生じ得る周囲の影響について検査することができる。試験の出力に基づいて、メモリ全体が破損している、例えば、高過ぎる磁場で再磁化された、または高過ぎる温度で完全にランダムになっていると宣言することができる。試験構造は、温度および磁場の少なくとも一方の監視ユニット自体にすることができ、あるいは監視ユニットと組み合わせることができる。バックアップが存在する場合には、メモリをリセットすることができる。この場合、一定の間隔でバックアップを取ることが重要となる場合がある。メモリの一部が破損している可能性があると試験が指摘する場合、メモリ（の当該の部分）を書き換えることができる。
【００５０】
事前設定参照要素は、様々な形でメモリ・アレイ内に実装することができる。好ましい実施形態は、電流の１つ、すなわち図３における線６のビット電流が双方向に印加されたときに、論理「０」と「１」の両方に対するハーフセレクト操作を検査することができる可能性を含む。１つの選択肢は、図６の実施形態に例示されるように、Ｍ×Ｎメモリ・ブロックに対して、単に余分な行０およびＭ＋１の少なくとも一方、ならびに列０およびＮ＋１の少なくとも一方を追加することであり、これらの余分な行および列は、記憶要素またはビット３２，３２ａ，３２ｂの最短予想緩和時間よりも短い時間で磁化が緩和するような寸法を有する、参照メモリ要素６０，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄからなる。図６に与えられた例では、参照要素６０，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは、実際のメモリ要素３２，３２ａ，３２ｂよりも小さな面積を有する。メモリ要素３２ａをプログラムするとき、ピーク磁場がメモリ要素３２ａに印加され、第１の部分磁場が、目標のメモリ要素３２ａと同じ行にある全てのメモリ要素３２ｂに印加され、第２の部分磁場が、目標のメモリ要素３２ａと同じ列にある全てのメモリ要素３２ｂに印加される。特に、第１の部分磁場は、参照要素６０ｂに印加され、第２の部分磁場は参照要素６０ｃに印加される。第１および第２の部分磁場は、それらを組み合わせた効果が、メモリ要素３２ａを切り換えるのに充分な磁場を発生するようなものであり、しかし、各個の磁場は、どのメモリ要素３２ｂを切り換えるのにも充分ではない。参照要素６０，６０ｂ，６０ｃの磁化は、スケジュールに従ってプローブされ、スケジュールは、磁気要素またはビットの既知の物理的性質、シミュレータの以前の挙動、データ記憶デバイス内部で走る仮想シミュレータ、またはデータ記憶デバイスとは別に走る詳細な仮想シミュレータに従って事前プログラムするか、または適応させることができる。非常に単純なスケジュールは、毎回の書込みまたは読取り操作の後に、または事前定義された回数の書込みまたは読取り操作の後に、参照要素をプローブすることを命令する場合がある。参照要素６０，６０ｂ，６０ｃの１つの磁化緩和が検出されたとき、メモリの内容全て、またはその一部が書き換えられる。この方法では、不必要な書換え操作は行われず、したがって電力消費およびメモリ休止時間が抑えられる。ＭＲＡＭの場合、通常の操作では、熱安定性は主に書込み操作中の問題であり、書込み操作は、その時点で、プログラミング・ビット線およびディジット線に沿ったビットのみが、熱的に補助された切換えに対する低下したエネルギー障壁を有するので、非常に局所的な操作である。原則的には、これらの線の上にある試験要素は、これらの隣接要素での望ましくない切換えの可能性を監視するのに充分なものである。この場合、肯定的な試験が、隣接要素全ての書換えをもたらす。例えばワード並列書込み方式の場合、これは、メモリ・ブロック全体が書き換えられることを意味する。
【００５１】
単純な解決策は、図７に例示されるように、各行および列の少なくとも一方に、論理０および１の値を有する２つの試験セルを追加することである。熱安定性試験は、毎回の書込み操作の後に選択線にある、または例えば数回毎の書込み操作にわたって行列内に統計的に分布する両方の値を比較する。両方の状態の抵抗差ΔＲが非常に小さい場合、試験０が試験１になるか、またはその逆になる。いずれにせよ、状態の１つが変えられ、これが、行列での熱緩和の発生可能性を検出する。サイズが異なるため、標準の要素との比較は可能でないことに留意されたい。したがって、例えば隅で、オンチップ磁場に露出されない、またはほとんど露出されない特定の参照用標準要素を事前プログラムすることはできない。
【００５２】
例えば語彙１０００（第２の実データ行）に関する書込み操作後、左および右にある参照要素のビット・ステータスを検査することができる。それらがエラーを与える場合、その語彙を読み取って、依然として使用可能な初期データと比較することができるか、あるいは語彙を単に書き換えることができる。一方、参照行にある参照ビットのいずれかがそのビット・ステータスを変えた場合、熱緩和の発生可能性が検出され、まず全ての参照ビットをリセットした後に、行列全体を読み取り、書き換えることができる。
【００５３】
他の実施形態によれば、事前設定要素を備える特定の試験構造を、メモリ・アーキテクチャ内に実装することができる。唯一の要件は、オンチップ電流または磁場が、機能ビットと同様の様式で参照要素に影響を与えることである。
【００５４】
行列での熱緩和の発生可能性を検出するために参照要素が追加されるという同じ着想に基づいて、より複雑な試験機構を簡単に実装することができる。
【００５５】
例えば要素の寸法の１つのみを等しく保つことによって、より小さな縦横比を有する参照要素の熱安定性との比較が、アレイ内の機能要素に関するこの最低要件を推定するための簡単な方法を提供する。さらに、この方法を用いれば、改善された書込みウィンドウの実現性によって、より多くのプロセス変動に対応することができる場合がある。その際、熱安定性に関する参照要素の初期ステータスの定期的な検査が、参照要素の組織に応じて、アレイ全体、行、列、またはセクタを書き換えるための実行／非実行（go/no-go）信号を与える。
【００５６】
本発明のさらなる実施形態によれば、磁化緩和シミュレータを仮想形式にすることもでき、データ記憶デバイス内部の、または記憶デバイスに関連付けられた処理要素内にプログラムされた予測モデルを備える。処理装置は、マイクロプロセッサ、または埋込型プロセッサ・コアであってよい。処理装置はまた、プログラマブル論理アレイ（ＰＬＡ）、プログラマブル・アレイ論理（ＰＡＬ）、またはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブル・ゲート・アレイにすることもできる。磁気記憶要素の熱緩和と、値の書込みによる磁化切換えなど要素内で生じる物理的なプロセスとの確立された関係に基づいて、磁気記憶要素の熱緩和を予測することによってシミュレーションを行うことができる。好ましくは、モデルが、「ハードウェア」シミュレータ、すなわち上述したような参照記憶要素を有するシミュレータの実際の挙動を予測するのに充分な複雑さのものである。この複雑さを得ることは、モデルのための初期入力データとして充分なレベルの正確さで、記憶磁気要素の実際の物理的特徴および操作上の特徴を分かっていることに依存する場合がある。さらに、モデルは、非常に高いレベルの正確さで、「ハードウェア」シミュレータ内部で生じる物理的なプロセスをシミュレートするように構成されなければならない場合がある。そのような仮想シミュレータは、「リアルタイム」で実行するために、大きな処理オーバヘッド、または非常に速い処理インフラストラクチャを必要とする場合がある。そのような要件は、実際に使用するのに充分な正確さで「ハードウェア」シミュレータをシミュレートするために単純化されたモデルが使用される場合に緩和されることがある。
【００５７】
他の形態として、非常に正確な仮想シミュレータを、リアルタイムではなく「オフライン」で実行することができ、その結果は、デバイスの操作を制御するためにデバイスによってアクセス可能なように、データ記憶デバイス内部に記憶することができる。
【００５８】
また、仮想シミュレータを、データ記憶デバイス内部でハードウェア・シミュレータと連係させて使用することもできる。さらなる変形形態は、データ記憶デバイス内部にアクセス可能な様式で記憶されている、より複雑な仮想シミュレータの結果と組み合わせて、ハードウェア・シミュレータを使用するものである。
【００５９】
本発明によるシミュレータのさらなる実施形態は、例えば、ハードディスク・ベースのデータ記憶システムに適用することができる。
【００６０】
ハードディスク・ドライブでの書込みプロセスは、外部印加磁場を用いて、媒体内部の細い円周状トラックに沿った領域または磁区８０，８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄを磁化することからなる（図８参照）。外部印加磁場は、書込みヘッド磁極８１と書込みヘッド・コイル８２によって発生させることができる。磁場の方向が、書き込まれる磁区８０，８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄの磁化を定義する。書き込まれるデータは、２つの反対向きに磁化された磁区８０ａ，８０ｂ間での遷移８３が第１の２値状態、例えば「１」に対応し、かつ、同じ向きに磁化された２つの磁区８０ｃ，８０ｄ間での無遷移８４が第２の２値状態、例えば「０」に対応するように、あるいはその逆になるようにコード化される。遷移「１」または無遷移「０」の位置を定義するための基準として外部クロックが使用される。遷移の有り（８３）または無し（８４）を検出することによってリードバックが達成され、これは、ディスクの面内で磁化される磁気媒体の場合、遷移から生じる漂遊磁場の垂直成分を検出することに対応する。現在、浮動ヘッド（図示せず）内に取り付けられたＧＭＲセンサ８５が、ビット検出のために使用されている。
【００６１】
ハードディスク・ドライブは、セクタ９１として知られているデータの細分の開始位置に見られるデータの特別なヘッダ・サブセクション９０内に埋め込まれたサーボ情報を利用する（図９参照）。これらのヘッダ９０は、浮動ヘッド（図示せず）によるトラック９２の追従、トラック９２の識別、さらにセクタ９１の識別を補助するために使用される。データ・ファイルは、ハードディスク上に見られる物理的なセクタ９１に細分することができるか、あるいはセクタ９１が複数の小さなデータ・ファイルを含むことができる。
【００６２】
本発明の一実施形態による磁化緩和シミュレータは、ディスク上の事前定義された領域内にビットの参照パターンを書き込むことによって、ハードディスク媒体プラッタ内で実現することができる。そのような領域は、各セクタ９１のヘッダ９０内部に、または各トラック９２上の個別の領域内に、あるいは単一の事前定義されたトラック９１内部に埋め込むことができる。ビットのパターンは、始めに良く定義された磁気体積および境界を持つ一連の反対向きに磁化された磁区を含むように構成される。磁気体積は、記憶されたデータを含む領域内での遷移間の最小距離によって定義される磁気体積よりも、短い時間尺度のうちに検出可能な磁化緩和を受けるように選択されるべきである。
【００６３】
参照ビット・パターンは、１つまたは複数の均一にサイズを取られた磁気体積、または緩和時間の分布をプローブすることができるようにする磁気体積の範囲からなる場合がある。
【００６４】
参照パターン内部での磁化緩和は、各磁気体積内部の個々の粒子の磁化のランダムな、熱的に誘発される反転によって進行する場合がある。その結果、始めに書き込まれた磁区が等しい数の不安定な小さな磁気体積に分割されることによって、磁気体積が「減磁」される場合がある。その結果、参照ビットからのリードバック中に、媒体がより大きな背景雑音を示す。さらに、磁区（遷移）間の境界に近接する粒子は、遷移の近くに存在するより大きな減磁場の追加の影響によって、より反転を起こし易い場合がある。その結果、磁区間の遷移があまり良く定義されていないものになり、最終的には「自己消去」する場合がある。これは、遷移からのリードバック信号をより雑音の多いものにし、最終的には遷移を検出できないものにする。
【００６５】
したがって、参照ビットの磁化緩和は、参照パターンからの背景信号対雑音比を監視する、参照パターンからの遷移雑音を監視する、または参照パターンでの遷移が検出不可能になる時を監視することによってプローブすることができる。
【００６６】
これは、あるサイズの事前定義された磁気体積に関連付けられた個々の遷移をプローブすることができるので、好ましい方法となる場合がある。
【００６７】
また、本発明によるシミュレータの一実施形態は、例えば、プローブ・ベースのデータ記憶デバイスに適用することもできる。プローブ・ベースのシステムの一例が図１０に示されている。そのようなデバイスは、通常、ＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）プロセスを使用して製造されたプローブのアレイ９５からなり、これらのプローブが、個別の媒体９６に書き込まれたデータにアクセスするために使用される。媒体が中心軸の周りで回転するディスク・ベースのシステムとは対照的に、プローブ・ベースのシステムでは、媒体９６およびプローブ・アレイ９５が、アクチュエータ９７によって作動されるＸＹラスタ・パターン内で互いに対して移動する。
【００６８】
プローブ・ベースのデータ記憶デバイスは、ハードディスク・ベースのシステムに関して説明したものと同様の、連続する媒体読取り、書込みおよびコード化方法を使用することができる。また、プローブ・ベースのシステムは、個々の要素にパターン化された媒体を使用することもでき、これらの要素は、媒体９６の面に垂直な磁化を持つ。ハードディスクと同様に、データは、適切な極性を持つ外部印加磁場を用いて要素の磁化を配列させることによって書き込まれる。第１の２進値、例えば「１」は、プローブ・アレイに向いた媒体面から離れるように磁化が配列された要素によって表すことができ、第２の２進値、例えば「０」は、逆方向に磁化が配列された要素によって表すことができる。読取りは、個々のプローブと個々の磁気要素との相互作用により、個々の磁気要素の磁化の方向を検出することによって行われる。これは、磁気要素から発する、ビットの磁化の方向に直接関係する漂遊磁場の方向の検出によって行うことができる。プローブに取り付けられたＧＭＲまたはＴＭＲセンサの使用、あるいは要素からの漂遊磁場と相互作用する際の永久磁化プローブの撓みの監視を含めた、漂遊磁場の方向をプローブすることができるいくつかの方法が存在する。
【００６９】
本発明の一実施形態による磁化緩和シミュレータは、以下のように、パターン化された媒体９６を組み込むプローブ・ベースのデータ記憶デバイス内で実現することができる。媒体製造プロセス中、均一にサイズを取られた要素のアレイが、データの記憶のための個々のビット位置を形成するようにパターン化される。シミュレータは、要素または要素のグループがデータ記憶要素の寸法よりも小さな寸法（磁気体積）を持つような媒体９６上の領域を定義することによって実現される。（１つまたは複数の）参照要素のサイズは、データ要素の場合よりも短い時間で磁化が緩和するようなものである。（１つまたは複数の）参照要素の磁化緩和は、ある事前定義された時間での磁化を、始めに事前定義された磁化と比較することによって検出される。これら２つの磁化の不一致は、ランダムな熱変動により（１つまたは複数の）参照要素の磁化が緩和されたこと、およびデータ要素内に記憶されている情報をリフレッシュすべきであることを表す。
【００７０】
参照要素は、データ要素の行または列に索引付けすることができ、参照磁化は、当該行または列への情報の書込みの時点で設定される。したがって、参照要素は、当該データ要素に隣接して位置される必要はないが、任意のデータが書き込まれると同時に、その参照磁化を設定する必要がある。
【００７１】
（１つまたは複数の）参照磁化がデータ要素に隣接して位置される場合、任意のセクタ状媒体細分のヘッダに、それらを配置することが好都合となる場合がある。
【００７２】
参照要素のグループの参照磁化は、平行および反平行の磁化を有するあるパターンの要素を形成するように定義することができる。参照要素は、要素のグループを成す場合があり、各グループが、サイズ（磁気体積）の分布、したがって磁化緩和時間の分布を有する要素を含む。要素サイズの関数として磁化緩和の進行を監視することによって、ビット要素のリフレッシュの予測制御を実施することができる。
【００７３】
本発明によるデバイスに関して、好ましい実施形態、特定の構造および構成、ならびに材料を本明細書で論じてきたが、本発明の範囲および精神から逸脱することなく形態および詳細に様々な変更または修正を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】アレイに接続するためのＭＲＡＭユニットの電気図である。
【図２】ＭＴＪユニットの２×２アレイの概略正面図である。
【図３】行２の要素および列２の要素でハーフセレクトをもたらすビット（２，２）での書込み操作を示す図である。
【図４】ＭＲＡＭ要素の困難軸および容易軸の少なくとも一方に沿って磁場を印加するときの、２４０×１２０ｎｍ２ＭＲＡＭ要素に関する安定領域の、様々な切換え速度の関数としての曲線を示す図である。
【図５】２４０×１２０ｎｍ２ＭＲＡＭ要素に関する安定な書込み磁場の窓を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による、参照メモリ要素の余分な行および余分な列を備えるメモリ・ブロックを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による、参照メモリ要素の２つの余分な行および２つの余分な列を備えるメモリ・ブロックを示す図である。
【図８】ハードディスク・ドライブでの書込みプロセスを示す図である。
【図９】ハードディスク・ドライブの上面図である。
【図１０】プローブ・ベースのデータ記憶デバイスの部分破断図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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