相变存储器（Phase Change Random Access Memory, PCRAM）作为新型的存储器在消费性电子产品和大数据存储等领域具有很好的应用前景。目前国内外在相变材料、器件结构的研究有了很大的进展，而关于PCRAM失效机理的研究还较少，且主要集中在电性测试失效方面。集成制造工艺的可靠性和稳定性对于PCRAM芯片的性能无比重要。因此，本论文从全面剖析PCRAM失效现象出发，针对工艺方面引起的PCRAM失效类型和失效机理展开了研究和分析，并以此为基础，提出了完整的工艺改进方案，为PCRAM芯片可靠性和良率的提升提供了理论基础指导和可行的工艺解决路线，并研制出了4Mb PCRAM芯片。取得了如下主要结论:　　1.圆柱型底部接触电极工艺稳定性和可靠性的研究。研究发现，氧等离子体灰化工艺使TiN电极表面形成了4-5 nm氧化钛层，且氧化的TiN电极的电阻比纯TiN电极的阻值高了近三个数量级，造成电极阻值分布过宽和加热效率一致性差等问题，导致器件失效。本文提出TiN电极的两步化学机械抛光工艺方案，有效地解决了电极表面氧化的问题，将阻值从原来的1×105Ω/通孔降到了6×102Ω/通孔，解决了PCRAM器件单元因阻值分散性过大产生的电性失效问题。　　2.刀片型底部接触电极结构的改进研究。研究发现，采用高深宽比工艺生长的SiO2作为TiN电极的保护层时，会发生TiN被不均匀氧化的现象，造成刀片型TiN电极阻值分布分散性大且越薄的电极其氧化产生的影响越严重，这种氧化使得电极和相变材料的界面极不稳定。本文提出了采用SiN薄膜作为TiN电极的保护层，使PCRAM单元的初始阻值和SET态阻值的分布更加收敛，增加了SET与RESET操作的窗口，提高了SET操作的速度。　　3.高温工艺条件下RESET失效机理研究。本文采用高分辨透射电子显微镜和能量散射谱相结合的方法深入分析了经历350℃甚至400℃高温工艺后RESET失效的PCRAM器件单元的微观结构以及化学组分，大量实验研究表明，相变材料组分的改变以及六方相Ge2Sb2Te5(GST)和TiTe2的形成直接导致了PCRAM单元初始RESET失效。　　4.TiN粘附层薄膜性能对器件失效的影响。系统地研究发现，在退火过程中，富Ti的TiN薄膜中Ti原子的存在促进了Ti、Sb和Te元素的相互扩散和反应，导致GST材料失去存储功能，而符合化学计量比的TiN薄膜与相变材料的界面十分稳定。为保证TiN薄膜与GST相变材料界面的热稳定性以及PCRAM器件的存储特性，提出TiNx薄膜的最佳组分范围为X=0.6-1.2，实验证明TiN0.6粘附层T型PCRAM器件可以正常进行RESET操作且粘附层材料与相变材料的界面十分稳定且清晰。　　5.多次写擦操作导致失效的机理研究。在对器件单元进行循环操作过程中发现，器件断路的现象频繁发生，采用器件的剖面微观结构分析后发现，电极上方相变材料编程区域空洞的形成或者电极与相变材料界面的断开造成了相变单元RESET-Stuck失效，其中RESET脉冲是造成RESET-Stuck的主要因素，而单纯的SET操作不会产生空洞或者界面的断开，相反地会改善界面，使相变材料充分结晶，降低SET电阻。