随着目前非挥发存储器的主要代表Flash在存储器市场大行其道，作为下一代非挥发存储器的候选者们也成为了人们当前关注的焦点之一。其中主要的候选者有：磁存储器(MRAM)，铁电存储器(FeRAM)，电阻存储器(RRAM)和相变存储器(PRAM)。其中，相变存储器以单元面积小、与传统CMOS工艺兼容性好、易于继续缩小、具有多值编写能力以及抗干扰抗辐射能力强等优点脱颖而出，成为有望取代Flash的佼佼者。Intel甚至在2006年第21届非挥发性半导体内存学会上称“32nm以后是相变存储器的时代”。 目前，PRAM面临的主要问题是Reset操作电流过大，导致CMOS驱动电路需要更大尺寸的栅宽，并导致驱动电路占用了更大的芯片面积，这是不希望见到的。通常的解决办法就是减小相变材料和存储电路的特征尺寸，或者提高相变材料的电阻率，或者使用二极管制造驱动管。然而由于第一和第三种方法需要在成本更高的工艺条件下进行，所以对于现有的存储器生产并没有很大的优势。 针对目前PRAM的问题，本文提出了一种全新的存储器件概念，它可以实现低成本多值存储。这种基于薄膜晶体管的存储单元，通过半导体层部分材料的相变来改变沟道长度从而实现多植存储：而且，由于薄膜晶体管不需要占用硅表面，所以可以使用层叠立体结构以实现高密度存储，而将有限的硅衬底面积让给外围电路。同时，本文也创新性的提出一种提高相变材料晶态电阻率的方法，通过将Si、N共掺到GST中，形成了Si-N键，增大了载流子的散射率，进而大大提高了相变材料的晶态电阻，有利于降低Reset电流。 上述结果，使得相变存储器中高密度存储和低成本生产更易实现，这将使得相变存储器在今后的非挥发存储市场上极具竞争力。 本文共分5章。第1章介绍相变材料的发展和相变存储器的由来。第2章具体介绍相变存储器的各种结构，对相变存储器整体进行评估，包括其目前的主要问题和未来发展趋势，同时将它和其竞争对手进行全面比较。第3章集中阐述相变存储器的高密度(多值)存储方案，包括方案的提出，热学模拟分析，实验结果验证，以及现存的不足之处和相关的改进工作。第4章分析阐述了相变材料的改进，包括设想的提出以及实验验证。第5章作整体总结论述。