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随着便携式电子产品的快速发展,市场对不挥发存储器的需求急剧增长。作为目前主流的不挥发存储技术,闪存在商业上取得了巨大的成功,它被广泛地应用在分立式和嵌入式芯片中。然而,其较长的擦写时间和有限的擦写次数,不能满足未来技术发展的要求,而且由于自身物理机理上的限制,闪存单元尺寸的缩小遇到了很多的技术瓶颈。因此,人们都在积极寻求可替代闪存的新一代不挥发存储器技术。相变存储器（Phase-change Random Access Memory,简称PRAM）因为具有读写速度快（ns量级）、循环次数高、功耗低以及和现有的CMOS工艺兼容等优点,被认为最有可能成为未来可通用的新一代不挥发存储器技术。近10年来,PRAM相关技术的研发取得了很大的进展,但是目前仍然存在一些需要改善和解决的问题,如RESET电流较大、高温下的数据保存寿命有待提高、器件的失效机理理解等。前面两个问题与相变存储材料的性能密切相关,因此优化相变材料的性能非常重要,这方面的研究工作主要集中在两个方面:一是对传统Ge2Sb2Te5材料进行掺杂改性,二是研究新型相变存储材料。本论文从新型相变存储材料的开发和优化着手,尝试寻求解决方案,主要进行了以下几方面的研究:（1）研究了三元Si-Sb-Te相变材料体系。研究表明,Si-Sb-Te薄膜的非晶态/晶态电阻率之比在105以上,厚度变化率小于3%。随着Si浓度的增加或Sb/Te值的减小,晶态电阻率显著增加,并且晶化温度和非晶态热稳定性随之提高。与Ge2Sb2Te5材料相比,该材料体系具有更低的熔点、更高的晶态电阻率和优异的非晶态热稳定性。器件测试和热学模拟结果表明,采用Si-Sb-Te材料作为存储介质可以显著降低器件的RESET电流。（2）研究了N掺杂Ge15Sb85薄膜用作存储介质以提高器件在高温下的数据保存寿命的可能性。研究表明,掺杂的N主要与Ge15Sb85薄膜中的Ge结合形成Ge3N4,并且集聚到晶界上,束缚晶粒的长大,使晶粒细化。薄膜的非晶态和晶态电阻率因N掺杂而显著增加。与Ge2Sb2Te5材料相比,N掺杂Ge15Sb85具有更为优异的非晶态热稳定性,其非晶态能够保存10年的最高温度高于147oC,这将提高器件在高温下的数据保存寿命。器件的I-V和R-V特性曲线证实了N掺杂Ge15Sb85薄膜具备存储特性和高速SET转变特性。（3）开发出新型的富含Sb的二元Si-Sb相变材料。研究表明,结晶后Si-Sb薄膜具有类似于Sb的六方晶体结构。随着Si浓度的增加,Si-Sb材料的晶化温度升高,晶粒尺寸减小,非晶态和晶态电阻率提高。Si15Sb85组分具有比Ge2Sb2Te5材料更为优异的非晶态热稳定性,其非晶态能在140oC保存10年。对Si15Sb85组分进行N或O掺杂改性。掺杂N后,N与Si结合形成Si3N4,束缚了晶粒生长。非晶态和晶态电阻率随着N掺杂浓度的增加而增加。N掺杂还提高了Si15Sb85薄膜的晶化温度和非晶态热稳定性。掺杂O后,O优先与Si结合形成SiO2。O掺杂导致非晶态和晶态电阻率增加。与N掺杂不同的是,当O掺杂浓度较低时（14.5 at.%）,O掺杂降低了晶化温度和非晶态热稳定性,而进一步增加掺杂浓度后（32.8 at.%或更高）,晶化温度反而升高。器件的I-V和R-V特性曲线证实了N掺杂和O掺杂Si15Sb85薄膜都具备存储特性和高速SET转变特性。