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相变存储器(PCRAM)是一种利用相变材料非晶态时的半导体高阻特性与结晶态时的金属低阻特性实现存储的技术。它具有存储单元尺寸小、非易失性、循环寿命长、稳定性好、功耗低，读速度快等优点。本文围绕串行接口的相变存储器芯片设计，提出了SPI接口相变存储芯片设计的整体解决方案，实现了可应用可扩展的SPI接口相变存储芯片。本文主要研究内容如下: 1.研究了基于SPI接口的相变存储器芯片冗余纠错电路设计，开发出了可应用于SPI接口相变存储器芯片的BCH(16，8)纠错码(ECC)电路，使芯片良率得到显著的提升;提出了一种最大化利用BCH码字的ECC方法，可纠正一部分超越其普通纠错能力的错误码字;设计了相变存储器冗余替换控制电路，可进一步提高相变存储器的良率。 2.设计了基于SPI接口的相变存储器芯片框架结构。定义了SPI接口系统与指令集，包括:SPI接口6种指令，写保护功能，地址自增一寄存器，时钟发生器以及输出电路的实现;设计了内部传输带宽转换电路，使得内部的数据操作不受外部规定的数据传输带宽限制，有利于长码ECC的实现及芯片速度的提高。 3.开发了基于SPI接口的相变存储器读写电路。其中读控制电路设计可以使芯片不受制于PCRAM本身的读出速度，而达到较高的串行接口时钟频率;提出了一种相变存储器读电路参考电阻的优选方法，其采用相变单元本身的高低阻值，经过积的平方根的方法，得到一个合理的中间阻值，使之能自适应于工艺、温度及其余外部环境的变化;设计了参考电阻可调节读写电路，可双向调节读写电流并绘制电阻分布，由此得到最佳参考电阻值。 4.以SMIC(中芯国际)130nm CMOS工艺为平台，设计了SPI接口16k-bit相变存储器芯片，展示了具体的芯片结构以及系统仿真方法和结果。以SMIC110nmCMOS工艺为平台，设计了基于SPI接口的16k-bit相变存储器芯片，将状态寄存器改进为永久储存，并将读写电流的配置端口置于SPI接口指令中，以顶层电阻的形式实现了配置的置复位，节省了端口面积。以SMIC40nm CMOS工艺为平台，设计了基于SPI接口的512k-bit相变存储器芯片，采用(21，16)纠错码，由内部传输带宽转换电路实现内部21位并行读写外部8位输入输出转换。 5.对于SMIC130nm CMOS工艺下、基于SPI接口的16k-bit相变存储器芯片进行了详尽的测试，包括相变存储单元、SPI接口的基本功能、读写电流调节、写电流、ECC以及性能和良率测试;其中RESET的位良率能达到99％，字节良率为95.7％，而SET的位良率为92.5％，字节良率为76％。对于SMIC110nm CMOS工艺下、基于SPI接口的16k-bit相变存储器芯片进行了晶圆测试，其中部分原位良率在99％以上的芯片在ECC的作用下可修正到100％。