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相存储器(Phase-changeRandomAccessMemory，简称PRAM)是一种不挥发的存储器，它同时具备DRAM的高速存取速度和像闪存那样的不挥发性存储特征，另外还具备超过百万次的重复擦写能力、大于十年的数据保存性能、抗辐射、和现有的CMOS工艺兼容等优点，因此被业界视为未来最有可能替代闪存的技术。PRAM的存储介质是具有相变能力的硫系化合物，它可以在有序的、具有更低电阻的结晶相位与无序的、具有更高电阻的非结晶相位之间快速转换，而且无需电能来保持这种材料的任意一种相位。此外，由于PRAM不是靠电荷存储，所以当相变存储器尺寸随摩尔定律减小时，其技术仍会不断提高。因此，近几年来世界各大半导体公司和研究机构纷纷加入PRAM的研究行列，其中包括Intel、Samsung、STMicronelectronics、IBM、Infinenon、Marconix、Hitachi及Philips等公司。但是，目前的PRAM技术在真正实现商业化之前还需要改善写电流过大、存储密度低等不足之处。
本论文针对硫系化合物基相变存储器目前所面临的几个关键问题，提出了相应的解决方案，通过理论计算、热学模拟及实验验证的手段，证实了解决方案的可行性，具体研究内容和结果如下：
1.针对相变存储器写电流(RESET电流)过大的问题，对于以GST作为存储介质的器件，提出了在相变层内部插入加热层的方法，通过模拟计算，获得加热层材料参数的选择标准，具体的推荐材料为非晶硅；对以Ge-Sb-Te-Si材料作为存储介质的器件，提出了微加热器机制模型，通过制备不同掺杂浓度的GST-Si薄膜，经电阻率测量，XRD等手段提取出GST-Si薄膜的电学、结晶学参数，运用于模拟计算中，解释了Ge-Sb-Te-Si器件可以实现RESET转变的原因是掺杂剂Si的微加热器机制有效降低了RESET电流，修正后的微加热器机制模型将富Si非晶相对GST晶粒的完全包裹改为了不完全包裹，可以解释掺杂Si的GST薄膜仍然保持高开关比的现象。
2.针对提高相变存储器存储密度，实现多位存储的问题，本研究提出了一种可以在RESET过程中实现多态存储的新型多层结构模型，可以成功获得多态电阻。该结构的创新性在于，采用多个相变层，每个相变层内部有各自的加热层，每个相变层之间用隔热层相互隔离。通过每个相变层所附带的加热层厚度不同来控制各相变层的温度，进而控制其相变的发生与否，从而达到分层相变的目的。以2-bit/cell为例，模拟计算所获得的四态电阻值分别为0.931MΩ，17.831MΩ，34.731MΩ和51.631MΩ，各电阻值之间的比率介于1.49至55.46之间。验证性实验成功制备出了这种多层结构器件，所测得的多态电阻曲线也较为理想，以6μ×6μ器件为例，其多态电阻曲线中明显地呈现出四个稳定电阻的平台，平均值分别为46kΩ、90kΩ、223kΩ和320kΩ，电阻值之间的比率从1.4至7。模拟和实验结果都表明了这种新型的多层相变存储器结构可以实现多位存储，能有效地提高PRAM的存储密度。同时本文也对在SET过程中分别通过晶化时间和晶化温度控制来实现多态电阻进行了模拟计算，进一步证明了多层结构可以通过多种途径实现多位存储。
3.针对相变存储器的热串扰问题，分别从length方向和width方向进行了分析。首先通过建立热串扰研究的热学模型及模拟计算获得若干种条件下length方向和width方向的热串扰温度分布。结果显示对于通常的0.18工艺length方向防止热串扰的安全距离为50nm。而对width方向而言，F=0.18um、F=0.13um、F=90nm、F=65nm(Active区域和Isolation区域等宽)的条件下均不存在热串扰问题。