手机越用越卡、AI大模型训练动不动就“爆内存”，这些困扰背后，一场关于头发丝万分之一细小的材料战争已经白热化。
在比利时微电子研究中心的实验室里，研究人员成功在300毫米硅晶圆上堆叠了120层硅和硅锗材料，打破了此前的层数纪录-6。这项突破不是为了炫技，而是为了解决我们手机卡顿、AI算力不足的燃眉之急。
当我们谈论存储芯片，特别是DRAM时，很少有人会想到，真正决定其性能和未来的，是一系列看不见摸不着的DRAM关键材料。
如今传统DRAM技术已经撞上了一堵看不见的墙。在10纳米以下的制程中，存储电子的电容器体积被压缩到惊人的10立方纳米，里面能存放的电子数量不足100个-6。
这意味着数据保存时间大幅缩短，DRAM需要更频繁地“刷新”电荷，导致功耗激增。同时，晶体管的漏电流问题也越来越严重。
AI的迅猛发展让这个问题雪上加霜。训练一个万亿参数的大模型可能需要10TB的内存，而传统的DRAM单颗容量只有32GB左右-6。
这意味着需要数百颗DRAM芯片协同工作，不仅体积庞大，数据传输也成了瓶颈，直接导致AI训练时间成倍增加。这些困境背后，是材料科学的根本挑战。
当DRAM存储单元越做越小时，电容器也需要缩小，但电容值却必须保持稳定以确保数据可靠。这就引入了DRAM关键材料领域的一大突破——高κ电介质材料。
κ是材料的介电常数，数值越高，在相同厚度下能存储的电荷就越多。早期的DRAM使用二氧化硅作为电介质，其κ值约为3.9。
随着制程微缩，研究人员转向了氧化锆、氧化铪等材料，它们的κ值可以达到20-25-1。更前沿的研究甚至探索κ值高达50-100的钙钛矿材料-1。
这些材料不单凭高κ值取胜，它们还必须在低温下加工，因为DRAM单元通常是在外围CMOS器件形成后才构建的，此时已经不能承受高温工艺了-1。
这就是为什么新型高κ材料的研发如此具有挑战性——它们需要在性能、可靠性和工艺兼容性之间找到微妙的平衡。
平面微缩遇到瓶颈时，工程师们开始向第三维度要空间。3D DRAM的概念应运而生，它通过在垂直方向堆叠存储单元来大幅提高密度，类似已经商业化的3D NAND闪存。
真正的DRAM关键材料创新在这里显现。imec与根特大学的研究团队采用硅和硅锗交替堆叠的方案，但遇到了棘手的应力问题-6。
硅和硅锗的晶格常数有约4%的差异，堆叠层数越多，累积的应力就越大，最终会导致晶圆弯曲和缺陷增多。
他们的解决方案相当巧妙——在SiGe层中添加微量的碳原子作为“应力调节剂”。碳的原子半径比硅小，能够填充晶格间隙，缓解应力集中-6。
这一创新使得120层堆叠成为可能，位错密度降低了90%，晶圆翘曲度控制在光刻工艺要求的范围内-6。
如果说3D堆叠是从结构上突破，那么氧化物半导体则是从材料基础上重新发明DRAM。铠侠公司推出的OCTRAM技术就是一个典型例子-8。
这项技术用氧化物半导体材料如铟镓锌氧化物取代传统单晶硅作为晶体管的沟道材料。
优势很明显：氧化物半导体可以在低温下加工，与后端互连工艺兼容；它的关断电流极低，可低至1aA，这能显著降低DRAM的刷新功耗-8。
更令人兴奋的是，氧化物半导体使存储单元能够直接制作在逻辑电路上方，实现所谓的“单元覆盖外设”设计-4。
这种结构缩短了信号传输距离，既降低了延迟又减少了功耗，为高密度、低功耗DRAM开辟了全新路径。
DRAM关键材料的创新从来不是孤立的，它们必须与精密的制造工艺共舞。应用材料公司开发的DRACO硬掩膜和Sym3蚀刻设备组合，能够将电容器蚀刻的硬掩膜厚度减少30%，同时将电容器孔直径的变异降低50%-5。
在原子层沉积领域，工程师们正在创建“ALD-ALE超级循环”，通过原子层沉积和原子层蚀刻的精确交替，实现对材料生长的双向精准控制-10。
这种原子级别的操控能力对于构建未来DRAM中的复杂三维结构至关重要。
材料纯度也是常被忽视的关键因素。DRAM制造需要9N级的高纯度硅和硅锗晶圆，这意味着杂质含量必须低于十亿分之一-6。
就连掺杂用的气体，如甲烷，其纯度和流量控制也必须达到前所未有的精度，因为任何微小的偏差都会影响最终器件的性能。
从硅片、光刻胶到溅射靶材，DRAM关键材料的创新正在重塑整个产业链。中国半导体硅片市场规模预计在2025年将达到146亿元，而光刻胶市场也将增长至123亿元-2。
国际巨头如JSR、东京应化、信越化学等仍然主导着高端光刻胶市场，但中国本土企业正在加速追赶-2。
展望未来，3D DRAM有望在2027年左右开始量产，到2030年可能占据DRAM市场30%的份额-6。
随着AI推理需求的爆发，业界预测2026年DRAM可能出现全年性短缺-3。这波“结构性缺货”不同于以往的周期波动，它源于AI与高階手机需求的真正增长，而非简单的供应缩减-3。
面对这样的未来，材料创新将成为决定胜负的关键。无论是imec的碳掺杂Si/SiGe堆叠，还是铠侠的氧化物半导体沟道，亦或是更高κ值的钙钛矿电介质，这些DRAM关键材料的突破将直接决定我们手中的设备能有多智能，AI能有多强大。
对于普通消费者，确实很难直接从外观判断内存条是否采用了先进材料。但你可以关注几个关键指标：首先是产品世代，DDR5比DDR4更可能使用新材料；其次是品牌的高端产品线，像为AI和高端游戏设计的内存模组更可能包含3D堆叠或高κ电介质技术。
你也可以留意厂商的技术宣传，当产品提到“高密度”、“低功耗”或“高带宽”时，往往意味着采用了新材料。不过说实话，材料进步最终会体现在价格上——采用前沿材料的内存条通常价格更高，但能提供更好的性能和能效比。
实话实说，中国在DRAM关键材料领域整体仍处于追赶阶段，但在某些环节正在加速突破。在上游材料环节，中国的半导体硅片市场规模持续增长，沪硅产业、立昂微等企业正在提升技术水平和产能-2。
在光刻胶领域，虽然高端市场仍被国际巨头主导，但中国产业链正在逐步完善-2。设备方面，上海微电子已实现90nm光刻机的量产，中微公司和北方华创在刻蚀机领域也取得显著进展-2。
最值得关注的是，中国拥有全球最大的DRAM市场，预计2025年市场规模将达2517亿元-2。这种市场规模优势正在转化为对本土供应链的支持，推动材料国产化进程。
未来几年，3D DRAM的商业化无疑是最值得关注的突破。随着imec等研究机构在Si/SiGe叠层材料上取得突破，3D DRAM有望在2027年左右开始量产-6。
这种垂直堆叠技术可将DRAM密度提高5倍以上，直接应对AI大模型对高容量内存的迫切需求。氧化物半导体沟道技术也值得密切关注，特别是铠侠的OCTRAM技术已经展示了8层堆叠晶体管的可行性-8。
这种材料能够大幅降低DRAM的刷新功耗，对于能耗敏感的数据中心应用意义重大。HBM继续向更高堆叠层数发展也是明确趋势，随着AI芯片对带宽需求的不断增长，HBM3E、HBM4将成为高端算力标配-7。
这些突破都将建立在DRAM关键材料创新的基础之上，从高κ电介质到新型沟道材料，每一个环节的进步都将共同推动存储技术的下一次飞跃。
