随着场效应晶体管向纳米级尺度发展,传统热氧化的Si O2栅介质层由于厚度限制导致器件漏电流较大的问题凸显,急需开发性能优异的高介电薄膜材料。本论文采用原子层沉积技术制备氧化铝薄膜材料,并通过构建Al₂O₃/HfO2/Al₂O₃纳米堆叠结构改善其介电性能,为高介电材料性能提高及器件化应用提供理论基础与技术支持。采用原子层沉积技术制备了Al₂O₃薄膜,探究沉积温度和三甲基铝（TMA）脉冲时间等工艺参数、薄膜厚度及退火温度等条件对Al₂O₃薄膜介电性能的影响规律。采用XRD、XPS、AFM、LCR电桥等测试方法对薄膜的结构和电学性能进行表征,确定当工艺参数为沉积温度225℃、TMA脉冲时间0.3 s、循环周期300 cycle时沉积的薄膜介电性能最好。退火温度对Al₂O₃薄膜介电性能影响较大,当退火温度为500℃时,介电常数为8.15,漏电流最小,在3 V电压下漏电流为6.12×10-8 A/cm2。在Al₂O₃薄膜的基础上,制备了Al₂O₃/HfO2/Al₂O₃纳米堆叠结构的复合膜层,探究叠层结构薄膜表面形貌、组成和环次比对其介电性能的影响规律。研究结果表明,采用纳米堆叠结构可提高薄膜的介电性能,确定Al₂O₃/Hf O2/Al₂O₃最佳比例为1:2:1。与Al₂O₃薄膜相比,介电常数由8.15提升至10.28,同时对漏电流起到有效的抑制作用,在3 V电压下,漏电流由6.12×10-8 A/cm2降低至2.37×10-8 A/cm2。介电性能的提高归因于氧化铪薄膜具有较高的介电常数,在相同条件下,纳米堆叠结构的薄膜具有更高的等效氧化层厚度,有利于减小漏电流,从而提高薄膜的介电性能。将Al₂O₃/Hf O2/Al₂O₃循环比为1:2:1的薄膜作为介电层应用到以Zn O为有源层的晶体管中,结果显示该纳米堆叠结构的介电层在晶体管中能起到良好的调控效果,电流开关比为106,关态电流为10-11 A,器件功耗较低,明显提高器件性能。