随着“大数据”与“人工智能”时代的来临，面对数据的急剧膨胀，人们越来越关注如何快速有效地存储和处理这些数据。多值存储技术，是提高存储密度，进而降低数据存储成本的有效途径。另一方面，目前主流计算机体系仍遵循传统冯·诺依曼架构，由于其性能受“冯·诺依曼瓶颈”的制约，开发新型的融合数据存储与处理的运算体系是提升运算性能的手段之一。相变存储器（Phase change random access memory,PCRAM）以其擦写速度快、耐久性高以及与CMOS工艺兼容等特点，有潜力用于下一代主流非易失性存储技术。相变材料（Phase change material,PCM）在晶态与非晶态之间巨大的电特性差异使得PCRAM中间阻态具有重大利用价值，因此适用于多值存储技术。同时，其中间态存储的非易失性使得PCM有望构建存储与运算相融合的计算体系。　　然而，目前的多值相变存储技术仍面临着阻值漂移和温度依赖性等可靠性因素的制约。同时，随着器件集成度的提高，多值存储技术还面临着低功耗操作的挑战。本文针对上述问题，提出并验证了一种低电压多值相变存储技术，并围绕阻值漂移和温度依赖性进行了相应可靠性研究，进一步地，设计并验证了基于相变存储器的布尔逻辑运算策略，主要研究结果如下：　　优化构建了Pore型相变存储器SPICE模型，将相变存储器在时域上的热量累积效应引入模型中。搭建了用于实现多值存储及逻辑功能验证的相变存储器测试环境，并对其相关电学特性进行了表征分析。　　基于相变单元在脉冲序列作用过程中的热积累效应，提出一种双脉冲调制的低电压多值相变存储技术，编程脉冲幅值低至1.27V。通过EDA分析工具HSPICE仿真分析了双RESET脉冲对晶态相变单元的非晶化作用过程，观察到了双脉冲作用期间温度的累积。通过实验验证了双脉冲幅值、脉宽及间隔调制对非晶化过程的控制，得到了若干独立的中间阻态。进一步地，提出一种双脉冲三参数综合调制策略，实现了对相变单元阻态近似连续变化的控制。　　探究了相变存储器的偏置极性依赖性，对比表征了Pore型相变单元在正反极性偏置下的直流电特性、脉冲R-V特性以及疲劳特性。认为相变单元内部非对称的缺陷带分布及汤姆逊热电效应是导致相变单元极性依赖性的潜在机理。疲劳特性表明，相变单元在交替极性的电脉冲擦写下，寿命可以提升一个数量级。利用磁控溅射薄膜沉积技术、紫外光刻及剥离等工艺制备了线型结构相变单元，通过电致失效分析手段，表征了相变单元在直流偏置下内部元素迁移情况，解释了相变单元“stuck-SET”失效模式。对比阻值漂移特性，双极性脉冲作用实现的相变单元阻态较单极性擦写更为稳定，漂移系数更低。　　鉴于双极性操作可以一定程度抑制阻值漂移，提出并验证了双向脉冲操作下，分别基于负向SET脉冲和负向RESET脉冲调制的多值存储策略，均实现了4个区别鲜明的阻态。进一步地，设计了一种基于双极性操作模式的布尔逻辑运算方法。运算过程包括“初始化-逻辑输入-结果读取”。通过将读出电平与不同参考电平相对比，分别实现了NOR、NAND以及NOT三种布尔逻辑运算，进而有效地将数据存储与逻辑运算相融合。　　探究了双脉冲调制实现多值存储的高温可靠性。首先依次分析了SET操作和RESET操作的温度依赖性，认为高操作温度下，SET脉冲作用过程中的瞬态非晶化行为是导致SET失效，并进而影响多值存储性能的潜在原因。接着，提出并验证了高操作温度下SET操作的温度补偿策略，通过线性地降低SET脉冲幅值或脉宽，实现了不同操作温度下相同水平的SET态阻值。　　本论文通过上述工作，探讨了低电压多值相变存储技术的实验实现和理论分析，以及评估了阻值漂移特性和温度依赖性等可靠性因素。此外，尝试设计了一种基于相变存储器的布尔逻辑运算策略。上述可靠性工作对相变存储器的商业化发展提供了一定的理论和技术参考。同时，也为基于硫系化合物相变材料的类脑运算和构建存储与运算相融合的计算体系提供了相应借鉴。