相变存储器（PCRAM）由于操作速度快、存储密度高、可多级存储等优异的综合性能被公认为下一代非易失性存储器的竞争者。相变存储器的核心是相变材料,目前广泛研究的相变材料Ge2Sb2Te5（GST）在热稳定性和结晶速度上表现并不理想,无法满足一些航空和工业领域中高热场景的应用。近年来,许多新型的相变材料被提出来,其中包括Sb相变薄膜。纯Sb薄膜具有较低的熔点和较快的结晶速度,但是热稳定性较差。本文针对纯Sb相变薄膜的热稳定性较差的问题,提出利用Si3N4材料复合和多层结构来优化Sb薄膜的相变性能,对其材料性质进行系统研究,并对其器件进行仿真分析,旨在提升相变存储器的热稳定性和降低功耗。本文的研究结果为后续开发速度快、功耗低、数据保持力强的相变存储器具有借鉴和指导意义。主要工作如下:（1）Sb-Si3N4复合薄膜的热稳定性及微结构研究。利用四点探针电阻系统测试不同组分Sb-Si3N4薄膜的原位加热电阻变化关系,优化组分Sb15（Si3N4）85的相变结晶温度和10年数据保持温度分别可以达到210 ℃和120 ℃。结合实验结果以及Johnson-Mehl-Avrami（JMA）模型评估薄膜的结晶动力学指数。与爆炸结晶方式的Sb薄膜不同,Sb15（Si3N4）85薄膜是成核主导的结晶方式。此外,通过采用拉曼、X射线衍射（XRD）、透射电子显微（TEM）等手段研究了薄膜结晶过程中结构和相变性能的变化,结果表明Si3N4在薄膜中以非晶态存在,破坏了Sb-Sb键的长程序结构,抑制了Sb的结晶。（2）多层Sb/Si3N4纳米薄膜的可控制备与表征研究。利用磁控溅射制备不同厚度的周期性多层Sb/Si3N4薄膜。通过原位电阻加热测试结果和结晶动力学模型分析了Si3N4引起的界面能。额外的界面能有效抑制了晶体的成核和生长。优化组分[Sb（2nm）/Si3N4（7nm）]9的结晶温度和10年数据保持温度分别达到230 ℃和162 ℃,高于Sb-Si3N4复合薄膜的优化组分Sb15（Si3N4）85（210 ℃和120 ℃）。通过测试薄膜电阻随时间的变化,利用电阻漂移模型评估了薄膜在非晶状态下的电学稳定性。利用XRD、TEM、X射线光电子能谱分析（XPS）等手段进一步研究薄膜结晶的微观结构。（3）基于Sb-Si3N4和Sb/Si3N4薄膜的T型器件单元在电脉冲作用下的仿真分析。利用Comsol仿真软件设计出相变存储器件模型,将Sb-Si3N4和Sb/Si3N4分别作为相变层,对相变存储器在电脉冲下进行热分布模拟。通过改变复合Sb-Si3N4薄膜的厚度及多层Sb/Si3N4薄膜的周期,分析存储单元功耗。结果表明,相变存储单元的最大温度和功耗随着相变层的厚度的减小而增大,多层薄膜存储单元的最大温度和功耗随着其单周期Si3N4厚度的减小而增大。低热导率的Si3N4有助于相变层热量的聚集,有效降低相变存储器件的功率消耗。