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相变存储器(Phase Change Random Access Memory，PCRAM)是一种基于硫系化合物的新型的非易失性存储器。PCRAM具有优异的性能以及广泛的市场应用前景，因其操作电压低、读取速度快、疲劳特性优异、制作工艺简单及与CMOS工艺良好的兼容性被认为最有可能在不远的将来替代闪存(FLASH)成为主流的非易失性存储器。但是在PCRAM的产业化进程中仍然存在很多困难，尤其是PCRAM速度和功耗等问题。测试技术作为衡量PCRAM性能的最主要手段同样面临巨大的挑战，目前业界还没有针对PCRAM单元和芯片的标准测试方法。因此在PCRAM大规模量产之前，如何设计和优化得到适用于PCRAM单元和阵列且能够提升速度、降低功耗、提高单元一致性的操作方法显得尤为重要。本文围绕这一关键技术，以提高PCRAM性能为出发点，针对皮秒-纳秒电脉冲对相变存储单元的操作方法包括硬件测试平台和软件测试方法进行了研究，主要研究内容如下: 1.针对电压脉冲操作所导致电流不可控等问题，研究了单元级的相变存储器的电流脉冲测试系统，并成功搭建了纳秒级相变存储单元的自动电流脉冲测试系统，用于准确计算相变过程中的电流、电压、动态电阻及功耗。应用纳秒级电流脉冲测试系统，对PCRAM单元的窗口操作和瞬态电压进行了研究。基于纳秒级电流脉冲测试系统建立了单元级的相变存储器电流脉冲自动测试流程及数据分析方法，并成功应用与8英寸、12英寸单元级相变存储器的常规出片测试。 2.通过对PCRAM单元界面效应问题的研究，提出了一种直流I-V初始化操作方法。该方法有效的解决了由界面接触问题引入的初始电阻过大，导电性能差和加热效率降低的问题，保证了器件后续的正常工作，提高了单元一致性。 3.应用建立的电流脉冲测试系统，针对130nm工艺条件下制作的相变材料为Ge2Sb2Te5(GST)的PCRAM器件出现的RESET失效问题进行了研究。对失效单元和正常单元的微观结构进行分析发现两者晶粒结构存在差异。通过对晶粒结构差异引入的RESET电流差异进行研究分析提出一种大电流RESET初始化操作方法。对大电流RESET初始化前后的结果进行对比，证实此方法有效解决了由六方晶粒引入的RESET失效问题，且失效单元后续操作稳定，需要RESET电流减小。 4.为进一步验证和了解RESET初始化操作方法，对40 nm工艺节点下制作的PCRAM器件单元的RESET电流进行研究。同样的对初始化前后单元的微观结构进行分析。通过有限元模拟和第一性原理模拟对晶粒引入的RESET电流不同的本质进行研究分析，最终得出结论晶粒结构不同导致RESET电流不同的主要原因在于不同结构的晶粒的热导率差别。 5.建立了单元级的快速皮秒电压脉冲测试系统，用于研究超快速相变。通过该操作系统对电极尺寸为190 nm，相变材料为TST的单元的SET-RESET操作进行了研究，并基于该皮秒电压脉冲测试系统建立了相应的单元级的相变存储单元快速电压脉冲自动测试流程及数据分析方法。 6.为提高PCRAM整体操作速度，提出了基于64Mb PCRAM芯片单元的电压预操作SET操作方法。提取预操作电压脉冲的最佳参数，并对有无预操作的单元阵列SET操作进行了研究。结果表明固定电流脉高情况下，预操作加500ns单电流脉冲SET结果与1000 ns单电流脉冲SET效果基本一样;而预操作加300 ns单电流脉冲SET效果高于500 ns单电流脉冲SET效果。电压脉冲操作方法为相变存储器实现如FLASH的块操作提供了有力的支持。