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相变存储器（PhaseChangeRandomAccessMemory，PCRAM）器件单元在纳米尺度下的快速阻变和可逆相变过程是一个复杂的瞬态物理过程，受到电场，温度场，结晶动力学和应力等因素综合影响。由于纳米尺度下很难表征纳秒级瞬态微观结构和动力学过程，因此数值模拟成为研究PCRAM的必要手段。通过数值模拟，可以获得器件操作中的各种物理图像，从而指导优化器件单元结构和材料，提高产品开发效率。
本论文基于有限元电热模型模拟了PCRAM单元RESET操作中的电阻快速变化过程。并通过分析底电极直径为260nm和130nm的PCRAM器件单元的测试结果，校准了模型。我们基于有限元JMAK(Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov)结晶模型模拟了电流操作和电压操作下的SET模型，成功描述了PCRAM单元在SET操作中的结晶过程和可逆相变过程，并且提出了实现SET操作的最短脉宽，指导PCRAM工程化中读写脉宽设计。PCRAM编程操作中巨大的变温速率使得热应力影响器件单元可靠性，本论文基于有限元热应力模型计算出PCRAM器件单元在编程操作过程中的热应力分布，发现下电极和相变材料接触面处的热应力最大，为指导PCRAM工程化中提升器件稳定性提供理论指导。
PCRAM编程操作中的热效率直接影响PCRAM器件单元操作功耗，因此本论文利用瞬态电热模型，计算出器件单元编程过程中的瞬态电场和温度场分布，设计优化了一系列新型器件结构:环形电极（Ringinbottomelectrode，RIB）结构，底电极凸出(Protrudingbottomelectrode，PBE)结构，环状GST(RinginGe2Sb2Te5，RIG)结构和稳定阈值电压器件。并研究了相变材料形貌（厚度，宽度和倾斜角）对器件单元功耗的影响，得到增大相变材料厚度和倾斜角有利于降低功耗的结论，指导了工艺制造低功耗高可靠性的器件。器件间的温度和应力串扰影响提高器件密度时的稳定性，因此本论文针对90nm工艺节点PCRAM器件阵列，提出了实现器件单元阵列高密度高可靠性的混合缩小方案，指导高密度PCRAM阵列设计。
PCRAM中各种材料的物理特性也影响器件功耗。本论文不仅解释了复合材料能够实现相变存储的原理，还提出选择低功耗的介质材料的方法。针对加热层结构，本论文提出满足低功耗的材料的电导率和热导率范围，从而提高了PCRAM中材料工程化效率。