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数字信息化时代的发展使得海量数据的存储在物联网大数据时代显得尤为重要。存储器性能的快速提升，为海量数据的存储提供了有利的途径。电荷俘获型(Charge-Trap)三维NAND闪存存储器(CT 3D NAND)因存储容量大，存储成本较低等优势，成为非易失性大容量存储器件的主流，然而同一位线上电荷俘获层是共享的，相邻存储单元之间的横向电荷扩散问题成为CT3DNAND可靠性的核心问题。有研究表明，电荷横向扩散与电荷俘获层(Si3N4)中的浅能级缺陷息息相关。虽然关于3DNAND电荷俘获层的缺陷已有广泛的研究，但是针对浅能级缺陷的调控方案还缺乏系统的研究。因此，浅能级缺陷调控技术的突破，可能成为提高3DNAND可靠性的关键点。
本文通过第一性原理计算和器件仿真模拟，深入研究了3DNAND电荷俘获层(Si3N4)缺陷调控的相关问题。从材料上来说，对Si3N4进行金属掺杂，减少了Si3N4中的浅能级缺陷，同时提高了电子存储密度，使得存储器可靠性大大提高;我们还探究了擦写过程中电荷注入对金属掺杂缺陷的影响。为了全面把握尺寸缩放下界面过渡层不可避免的问题，我们研究了界面过渡层的本征缺陷和金属掺杂缺陷对存储器可靠性的影响。从器件上来说，我们提出通过工作模式优化来恢复浅能级缺陷引起的横向电荷扩散，从而有效地提高存储器的可靠性。最后，为了减少大数据频繁检索带来的可靠性问题，我们提出了3DNAND全硬件数据检索策略，通过单次读操作即可实现数据的检索。
首先，考虑到器件微缩在提高3DNAND存储容量的同时，也对存储器的可靠性提出了更高的要求。3DNAND中浅能级缺陷带来的横向电荷扩散问题是存储器可靠性的重要问题。因此，必须对浅能级缺陷进行有效地调控。我们研究了金属掺杂Si3N4的不同情况，研究表明，金属掺杂可以对Si3N4中的缺陷能级进行有效地调控，从而有效地减少浅能级缺陷的存在。其中Ti和Hf是最佳的掺杂源，因为他们可以产生合适的缺陷能级(Tisi,Et～1.43eV;Hfi，Et～1.32eV)和较高的电子存储密度。更重要的是，在SiOx/Si3N4界面处有氢原子和氧原子的影响时，Ti和Hf掺杂也可以有效地抑制的浅能级缺陷的产生。因此，金属掺杂能够快速有效地实现缺陷能级的调控，从而提高3DNAND的可靠性。
其次，随着器件尺寸的持续微缩，3DNAND堆叠层(SiO2/Si3N4/SiO2)间的界面过渡层(Si2N2O)成为不可避免的问题，我们研究了过渡层本征缺陷和金属掺杂缺陷引起的电荷损失。研究表明，在电荷写入的过程中，过渡层中的缺陷可以有效地俘获电荷，例如Si2N2O中的浅能级缺陷，氮空位缺陷(VN)和Ti间隙掺杂缺陷(Tii)。这些浅能级缺陷俘获的电荷是导致横向电荷扩散问题的重要因素。另一方面，Si2N2O中的缺陷能级可以与Si3N4中的电子存储能级发生共振，导致纵向电荷损失，这会进一步加剧3DNAND的可靠性问题。所以界面处理是存储器制备过程中必不可省的一个环节。
再次，Si3N4中浅能级缺陷导致的横向电荷扩散问题，是3DNAND可靠性的重要问题。我们对此进行了详细探究，并从器件层面上提出了通过工作模式的优化来恢复由浅能级缺陷导致的横向电荷扩散。通过器件仿真和TLC3DNAND芯片测试表征，进一步验证在长时间数据保持后，读操作可以使得部分错误位得到恢复，这有力地验证了我们提出的方案的正确性。工作模式的优化在一定程度上可以恢复浅能级缺陷带来的横向电荷扩散，从器件的层面上提高存储器的可靠性。
最后，3DNAND是大容量数据存储中心，数据检索过程中大数据块的频繁读取是不可避免的，这极易引发存储器的可靠性问题。因此，我们首次提出了3DNAND的全硬件数据检索策略，通过单次读取实现数据检索，避免频繁读取带来的可靠性问题。我们详细阐述了3DNAND的全硬件数据检索策略原理，并深入研究了存储单元阵列特性涨落可能带来的检索精度下降的问题。结果表明检索电压的参数优化是增大电流比值和提高检索速度的关键;阈值电压的涨落会极大地影响数据检索的精度，必须改善工艺加以控制。总之，此策略通过单次读取即可实现数据检索，对系统提高存储器可靠性具有重要意义。
本文通过第一性原理计算和器件仿真模拟，深入研究了3DNAND电荷俘获层(Si3N4)缺陷调控的相关问题。从材料上来说，对Si3N4进行金属掺杂，减少了Si3N4中的浅能级缺陷，同时提高了电子存储密度，使得存储器可靠性大大提高;我们还探究了擦写过程中电荷注入对金属掺杂缺陷的影响。为了全面把握尺寸缩放下界面过渡层不可避免的问题，我们研究了界面过渡层的本征缺陷和金属掺杂缺陷对存储器可靠性的影响。从器件上来说，我们提出通过工作模式优化来恢复浅能级缺陷引起的横向电荷扩散，从而有效地提高存储器的可靠性。最后，为了减少大数据频繁检索带来的可靠性问题，我们提出了3DNAND全硬件数据检索策略，通过单次读操作即可实现数据的检索。
首先，考虑到器件微缩在提高3DNAND存储容量的同时，也对存储器的可靠性提出了更高的要求。3DNAND中浅能级缺陷带来的横向电荷扩散问题是存储器可靠性的重要问题。因此，必须对浅能级缺陷进行有效地调控。我们研究了金属掺杂Si3N4的不同情况，研究表明，金属掺杂可以对Si3N4中的缺陷能级进行有效地调控，从而有效地减少浅能级缺陷的存在。其中Ti和Hf是最佳的掺杂源，因为他们可以产生合适的缺陷能级(Tisi,Et～1.43eV;Hfi，Et～1.32eV)和较高的电子存储密度。更重要的是，在SiOx/Si3N4界面处有氢原子和氧原子的影响时，Ti和Hf掺杂也可以有效地抑制的浅能级缺陷的产生。因此，金属掺杂能够快速有效地实现缺陷能级的调控，从而提高3DNAND的可靠性。
其次，随着器件尺寸的持续微缩，3DNAND堆叠层(SiO2/Si3N4/SiO2)间的界面过渡层(Si2N2O)成为不可避免的问题，我们研究了过渡层本征缺陷和金属掺杂缺陷引起的电荷损失。研究表明，在电荷写入的过程中，过渡层中的缺陷可以有效地俘获电荷，例如Si2N2O中的浅能级缺陷，氮空位缺陷(VN)和Ti间隙掺杂缺陷(Tii)。这些浅能级缺陷俘获的电荷是导致横向电荷扩散问题的重要因素。另一方面，Si2N2O中的缺陷能级可以与Si3N4中的电子存储能级发生共振，导致纵向电荷损失，这会进一步加剧3DNAND的可靠性问题。所以界面处理是存储器制备过程中必不可省的一个环节。
再次，Si3N4中浅能级缺陷导致的横向电荷扩散问题，是3DNAND可靠性的重要问题。我们对此进行了详细探究，并从器件层面上提出了通过工作模式的优化来恢复由浅能级缺陷导致的横向电荷扩散。通过器件仿真和TLC3DNAND芯片测试表征，进一步验证在长时间数据保持后，读操作可以使得部分错误位得到恢复，这有力地验证了我们提出的方案的正确性。工作模式的优化在一定程度上可以恢复浅能级缺陷带来的横向电荷扩散，从器件的层面上提高存储器的可靠性。
最后，3DNAND是大容量数据存储中心，数据检索过程中大数据块的频繁读取是不可避免的，这极易引发存储器的可靠性问题。因此，我们首次提出了3DNAND的全硬件数据检索策略，通过单次读取实现数据检索，避免频繁读取带来的可靠性问题。我们详细阐述了3DNAND的全硬件数据检索策略原理，并深入研究了存储单元阵列特性涨落可能带来的检索精度下降的问题。结果表明检索电压的参数优化是增大电流比值和提高检索速度的关键;阈值电压的涨落会极大地影响数据检索的精度，必须改善工艺加以控制。总之，此策略通过单次读取即可实现数据检索，对系统提高存储器可靠性具有重要意义。