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电子束曝光是当前制备微纳器件结构的主要方式之一。本文所使用的电子束曝光系统是由商用扫描电子显微镜(SEM)改装而来，SEM选用Hitachi公司的S-3000系列的电镜，在此基础上加装纳米图形发生器、高精度定位工件台、高速束闸系统从而构成一个小型的电子束曝光系统。论文的主要工作如下：以相变存储器相关材料为基底系统研究单项电子束曝光工艺；电子束曝光与器件制备中其他工艺的集成研究；在工艺集成的基础上制备出几种新型的相变存储器阵列结构，并且测定其相应的电学性能。
当器件结构处于纳米级的时候，电子束曝光过程中产生的临近效应对曝光结果的影响已经不可忽视。针对我们使用的电子束曝光系统的实际情况提出了一种混合补偿方式，先进行图形分割校正，然后利用直线曝光的方式来对区域进行曝光。
系统研究相变存储器相关材料衬底上的电子束曝光单项工艺。随着曝光加速电压的增加，束流的减小，可以得到更小线宽的图形结构；曝光时工作距离的增加将使电子束前向散射增强，使电子束束斑的直径加大，对高密度以及小线宽图形的曝光是不利的。衬底材料的不同对曝光结果的影响也较大，随着密度的增加背散射电子数目也随之增加，重返抗蚀剂层中的电子数相应增加，导致邻近效应的增大，曝光图形的分辨率降低。利用低温与超声显影我们在GST衬底上得到了小于50nm的圆孔
在工艺集成方面，首次研究了SU8负性抗蚀剂在混合曝光中的应用，得到抗蚀剂显影厚度均匀一致时电子束与紫外光刻的剂量值。对电子束曝光中的多场拼接作了深入的研究，针对扫描电子显微镜改装的电子束曝光系统，提出了一种新的提高拼接精度的方式，通过改变子场区域的增益因子消除了拼接引起的误差。通过15个100μm子场的拼接得到了1500μm长，宽度为100nm的直线阵列
首次将正负抗蚀剂以及混合曝光结合使用，制备出了电极间距为100nm以下的横向相变单元阵列。我们充分发挥正性抗蚀剂PMMA的高分辨率的特点以及负性抗蚀剂SU8高灵敏度的特点，使单元阵列的电极间距得以减小，这是目前文献报道的横向结构中电极间距最小的存储单元。
在高密度器件结构方面，成功的制备出Molecular结构的相变存储器单元阵列，相变单元的接触面积取决于上下层电极的线宽。本文中制备的单元电极的线宽为100nm，使用ST相变材料作为存储层，W作为上下电极的材料。对单元的电学性能的测试得出，阈值电流为10μA以下，阈值电压为1.8v。
利用混合曝光、相变材料与电极共刻蚀的方法首次成功制备出电极与相变材料j结构均为100nm左右的小型化的单元器件。通过对单元性能的测试我们得到器件的相变阈值为：(1.75 v，20μA)(I-V扫描)；RESET操作时相变临界电压值为3.9v，15ns临界脉宽值为23ns，电压幅度为3.5v。通过使用导热率更低高温性能更稳定的绝热材料，提高器件操作过程中的热效率可以有效的降低功耗。与SiO2单元的对比测试表明，ZrO2绝热材料的引入使SET操作电压降低0.3v,晶化操作时间缩短22ns。