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相变存储器（PCRAM）以其杰出的存储性能而备受业界关注，国际半导体工业协会认为其是最有可能代替 FLASH并成为下一代主流的非易失性存储器之一。目前，闪存在32 nm技术节点下面临巨大瓶颈，如果要将相变存储器推向产业化，令其取代闪存的地位，并继续遵循摩尔定律发展下去，则研究相变存储器的按比例缩小（尤其是器件特征尺寸缩小至32 nm技术节点以下）特性就显得十分重要。本文从理论以及实验方面深入、系统地研究了基于GeTe、Ge2Sb2Te5、AgInSbTe及GeTe/Sb2Te3超晶格硫系化合物相变材料的限制型相变存储器器件的结构优化、制备工艺及按比例缩小特性。 本研究主要内容包括：⑴利用有限元分析软件模拟并优化了特征尺寸低至10nm的限制型相变存储器器件结构，并进而分析了两种按比例缩小方式下器件操作电流的变化趋势。⑵遴选了四种相变材料；对特征尺寸为微米级的相变存储器器件进行了版图和工艺设计；利用紫外光刻、磁控溅射、剥离等微纳制造工艺方法制备出了特征尺寸为微米级的相变存储器器件；介绍了器件电特性测试方法并搭建了器件性能测试系统。⑶开发了GeTe/Sb2Te3 superlattice-like相变材料纳米尺度图形的感应耦合等离子体刻蚀工艺，通过优化参数首次刻蚀出亚-100 nm尺度GeTe/Sb2Te3相变材料图形。利用该工艺成功地将 GeTe/Sb2Te3相变材料集成至相变存储器器件中。测试结果表明上述器件性能优良，能够稳定地存储“0”和“1”状态，最小的RESET电流仅有145μA。⑷设计并详细分析了三种特征尺寸从几百纳米减小至十几纳米绝缘层孔的制备方法，其中采用电子束光刻+热固化的方法制备出直径低至16 nm的绝缘层孔。利用该方法制备了相变存储器器件并系统测试了器件的高低阻态比、操作电流及循环擦写情况。⑸研究了基于GeTe、Ge2Sb2Te5、AgInSbTe及GeTe/Sb2Te3超晶格相变材料的器件在特征尺寸按比例缩小下的存储特性的变化规律，包括非晶态阈值转换电压、SET时间、高低阻态比、电阻-电流关系及编程电流等，并详细分析了不同材料以上特征参数之间的优劣关系。