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相变存储器(Phase Change Random Access Memory，PCRAM)是最具潜力的下一代非易失性存储器之一，具有非易失性、读写速度快、循环次数高、同互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工艺兼容和成本较低等诸多优势，有望在嵌入式存储和存储级内存领域获得广泛应用。目前我国PCRAM工程化过程中，所面临的主要难题包括如何降低操作电流、提高芯片数据保持力和提升器件良率等，另外还需要特别关注技术的自主知识产权问题。本论文基于12英寸标准40nm CMOS工艺平台，重点研究新型自主相变材料与器件结构的工程化难题，详细探讨其对PCRAM芯片性能的影响，为最终实现PCRAM产业化应用奠定基础。主要研究结论包括: 1.完成了N和C掺杂GST相变材料的工程化应用研究。首先研究了N或C掺杂Ge2Sb2Te5(GST)材料热稳定性、晶粒大小及结晶前后密度变化等材料特性。打通了NGST6.9 at.％材料和CGST16.6 at.％材料的基于直径为35 nm底电极T型器件芯片的制造工艺，完成芯片级工程化应用验证，其RESET操作电流分别为1.0 mA和0.6 mA，同时展现出良好的电阻分布特性，满足实用化的要求。 2.开发出部分限制型器件的单项制备工艺及芯片集成工艺。充分利用回蚀工艺自对准的优势，开发出在底电极上方形成限制孔的纳米加工工艺，并且通过调节刻蚀气体组分可以实现不同形貌限制孔的控制。开发出纳米孔洞的沉积-刻蚀-沉积填充工艺，实现相变材料在尺寸为53 nm/26 nm/33 nm（开口直径/深度/底部直径）的限制孔的无空隙填充，克服传统物理气相沉积工艺无法填充纳米孔洞的难题。进而开发出采用部分限制型器件结构的GST材料的PCRAM芯片，测试结果表明，较传统T型结构所需RESET电流有显著下降，由1.2 mA降低至0.8 mA，降幅为33.3％。同时电阻分布特性得到显著改善，RESET和SET的操作时间分别低至10 ns和100 ns，循环寿命近107次。其主要机理体现在对相变区域的限制作用，参与相变的相变材料体积减小，RESET过程中相变区域熔化需要的能量减小，同时相变区域电流密度的增加提高焦耳热效率，如此RESET电流降低。 3.刀片型电极的研制。刀片型电极可以一定程度上摆脱曝光刻蚀极限引起的尺寸微缩困难，改善微缩特性，有助于实现低功耗PCRAM。研制出厚度为10nm、宽度为70 nm的TiN刀片型电极，该电极的良率近99.9999％。基于该电极的GST材料PCRAM芯片的RESET电流仅为0.8mA。