The use of wearable devices and various types of data are rapidly increasing due to the era of the Internet of Things (IoT) has evolved. In order to efficiently process the data, neuromorphic computing, which enables parallel computing and an adaptive learning process is one of the promising alternative compared to the existing von Neumann-structured computing. In particular, the hafnia-based ferroelectric thin film exhibits excellent ferroelectricity at a thin thickness (~10 nm), and has excellent CMOS process compatibility, so studies on the application of neuromorphic chips are actively being conducted. However, the hafnia material has a characteristic that ferroelectricity is formed only under a certain temperature (~600 ℃) and pressure, and the tetragonal phase and the monoclinic phase are formed and ferroelectricity is lost under different conditions. For this reason, research on application methods to wearable devices requiring a low-temperature process is insufficient. In this paper, to overcome the high temperature annealing condition, we proposed a method of securing ferroelectricity under low temperature annealing (~250 ℃) by applying various annealing method to the hafnia-based thin film ($Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_{2}$). Furthermore, the hafnia thin film applied with a low temperature process annealing and a hafnia based ferroelectric thin film transistor were fabricated on a flexible substrate to evaluate synaptic device characteristics and calculated the expected accuracy when operating as a neuromorphic chip. Through this, the scalability and applicability of the hafnia-based ferroelectric thin film in the wearable device platform were verified.
사물 인터넷의 시대가 도래함에 따라 웨어러블 디바이스의 이용이 증가하고, 다양한 형태의 데이터들이 급격히 생산되고 있다. 이에 따라 데이터를 효율적으로 처리하기 위해, 기존의 폰노이만 구조의 컴퓨팅과 비교하여 병렬 컴퓨팅 및 적응형 학습 프로세스가 가능한 뉴로모픽 컴퓨팅이 유망한 대안 중 하나이다. 특히, 하프니아 기반 강유전체 박막은 얇은 두께(~10 nm)에서 우수한 강유전성을 보이고, CMOS 공정 호환성도 뛰어나며, 시냅틱 소자로써 특성이 우수해 뉴로모픽 칩의 적용에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 하프니아 소재는 특정 온도(~600 ℃)와 압력 하에서만 강유전성을 가지는 사방정상이 형성되고, 낮은 열처리 조건 하에서는 정방정상과, 단사정상이 형성되어 강유전성을 잃는 특성이 있다. 고온 공정이 필수적인 하프니아 기반 강유전체의 한계 때문에 저온 공정이 요구되는 웨어러블 디바이스로의 응용 방법에 관한 연구가 부족한 상황이다. 본 논문에서는, 이 한계를 극복하기 위해 하프니아 기반 박막($Hf_{0.5}Zr_{0.5}O_{2}$)에 다양한 열처리 기법을 응용하여 저온 열처리(~250 ℃) 조건 하에서 강유전성을 확보하는 방법을 제안하였다. 더 나아가 저온 공정 열처리가 적용된 하프니아 박막과 하프니아 기반 강유전체 박막 트랜지스터를 유연한 기판 위에 제작하여 시냅스 소자 특성을 평가하고 뉴로모픽 칩으로 동작했을 때 예상되는 정확도를 계산하였다. 이를 통해 하프니아 기반 강유전체 박막이 가지는 웨어러블 디바이스 플랫폼에서의 확장성과 응용 가능성을 검증하였다.
