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相变存储器(PCRAM，phase change random access memory)是一种以硫属化合物为存储介质的随机存储器，利用电脉冲使材料在晶态与非晶态之间相互转化从而实现数据的写入与擦除。相比其他类型存储器，PCRAM具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗低、多级存储等特点，被认为是下一代主流的存储技术。近年来PCRAM的研究取得了一些进展，仍面临一些技术瓶颈亟待解决，如RESET电流较大和器件的可靠性不高等。目前最常用的相变材料是Ge2Sb2Te5(GST)薄膜，具有晶化速率快、循环次数多等优点，但其晶态电阻率较低、熔点较高，导致基于GST的PCRAM具有较大的RESET电流，器件操作的功耗较高。此外，Sb2Te3具有较高的结晶速度，符合存储器对高速存储的要求，但其较低的结晶温度对PCRAM中数据的稳定性很不利，同时Sb2Te3的晶态电阻率较低，需要较大的RESET电流。因此，对Sb2Te3进行择优掺杂来提高其晶化温度和晶态电阻率具有重要的研究意义。 本论文围绕硫属化合物相变薄膜的性能提升开展了一系列的研究工作: 1.利用磁控溅射法制备了GST薄膜，研究了退火温度对GST薄膜的结构、表面形貌的影响。实验发现沉积态的GST薄膜表面非常平整，RMS为0.515 nm;随着退火温度的增加，薄膜表面出现了明显的高度起伏，表明薄膜正处于非晶态到晶态的转变中;250℃时RMS增大到1.21 nm，薄膜从非晶态转变为晶态。 2.利用Al和GeTe两靶共溅射制备Ge-Te-Al薄膜，研究表明，不同组分的Ge-Te-Al薄膜的非晶态/晶态电阻率之比均大于106。Al掺杂还提高了薄膜的结晶温度以及晶态和非晶态的电阻率，有利于增强数据的保存寿命和降低RESET电流。 3.研究了三元Sb-Te-Al相变材料体系的结构与性能，结果表明，Al掺杂薄膜具有较高的表面平整度，随着Al掺杂浓度增大，表面粗糙度略微升高，从0.486升高到0.699 nm。通过变温XRD测量，观察到Sb-Te-Al薄膜随温度的升高其从非晶态到晶态的演变过程。DSC测量结果进一步证明，Al掺杂提高了Sb2Te3的晶化温度和相变温度，当Al掺杂量从0至10％，Sb-Te-Al薄膜的晶化温度从124℃升至244℃，相变温度从204℃升至331℃。结合第一性原理计算证明Al与Sb和Te分别形成共价键:Al-Sb和Al-Te，二者的存在影响了Sb-Te的键能，从而影响了Sb-Te-Al薄膜的相变机理和非晶态的稳定性。随着Al掺杂量的增加，薄膜的厚度变化率逐渐变小，有利于提高器件的循环寿命和可靠性。Al掺杂可调控Sb2Te3薄膜的电输运特性，提高薄膜晶态和非晶态的电阻率。 4.目前，关于PCRAM的研究主要集中在可靠性的提高、功耗的减小和缩减成本上，其中低功耗的研究是重点。本部分围绕如何降低器件的功耗，设计了三种不同的PCRAM单元结构:一种多层膜结构和两种加热电极优化的结构。