目前占据市场主流的FLASH存储器面临难以进一步缩小尺寸、功耗大、工艺成本高、可靠性不甚理想以及系统集成难度大等众多技术难点，已被证明不适合成为下一代非易失性存储器。相比较传统存储器，相变存储器由于其操作电压低、存取时间短、而且有好的scaling特性，因此成为了下一代非挥发性存储器的最有力竞争者。　　存储器的产业化会遇到很多的问题，但是可靠性是相变存储器大规模量产中最重要的影响因素，随着集成电路工艺进入28nm阶段，工艺日趋复杂，流片费用急剧增加，对可靠性问题的物理机理进行深入研究，建立精确的可靠性模型，可以达到优化器件性能提高良率的目的，从而节约大量的流片费用。　　本文主要针对相变存储器的可靠性问题和热分布模型进行了研究。其中，第二章发展了基于蒙特卡罗方法和成核生长理论的数据保持力模型，该模型可以反映相变材料内部的自主结晶过程，并得到电阻随时间的变化曲线。通过定义失效时间，可以得到失效时间的累积分布，最后分析了不同结构参数对于相变存储器数据保持能力的影响。第三章提出了基于相空间理论的温度分布模型，并在此基础上对器件的Scaling特性进行了研究。而且，由于边界热阻的存在对于相变存储器的温度分布有很大的影响，因此本章节也进行了边界热阻的研究。其次，由于之前讨论的温度分布模型都是数值模型，仿真速度较慢，因此本章发展了一套可以快速建立相变存储器内部温度分布的集约模型，并据此分析了峰值温度随相变层厚度的变化关系。最后，基于之前建立的数值模型分析了热串扰对于相变存储器阵列的影响。第四章主要针对相变存储器的三维结构进行了仿真，并分析了不同结构参数对于器件特性的影响。本章还提出了基于空间电荷理论的OTS模型，可以准确的反映相变存储器的OTS现象，而且其可以准确预测相变存储器的Scaling趋势。