随着器件尺寸不断缩小到45nm 及以下工艺技术，栅极介质层 SiON的厚度降低到2nm以下，为了改善栅极漏电流，半导体业界利用高K介质材料HfO2和 HfSiON 取代SiON 作为栅氧化层。HfO2和 HfSiON介质材料有两方面的优点：第一点是HfO2和 HfSiON 介质材料具有很高的电子绝缘特性。第二点是HfO2和 HfSiON 介质材料的介电常数是15~25，而SiON的介电常数是4~7之间，在相同的EOT 条件下，HfO2和HfSiON介质材料的物理厚度是SiON 的3~6倍多，这将显著减小栅介质层的量子隧穿效应，从而有效的改善栅极漏电流及其引起的功耗。依据式（2-22）可得：
但是利用HfO2和 HfSiON介质材料代替 SiON 也会引起很多问题，例如由于HfO2和 HfSiON介质材料与衬底之间会形成粗糙的界面，并存在缺陷中心，缺陷中心会造成载流子散射，导致载流子迁移率降低。HfO2和 HfSiON介质材料中的Hf 原子会与金品鋪的健原王发我化学反成形成HI-Si键，从而形成缺陷中心，导致无法通过离子掺杂来改变多晶硅的功函数，造成费米能级的钉扎现象，费米能级的钉扎现象会造成器件的阈值电压发生漂移，并且无法通过多晶硅栅的离子掺杂来调节器件的阈值电压。另外，高K介质材料的高K值得益于内部偶极子结构，但是在栅介质层下表面附近的偶极子会发生振动并传递到沟道的硅原于，造成晶格振动，形成载流子声子散射，也会导致器件沟道中载流子的迁移率降低，从而降低了器件的速度。
由于多晶硅栅与HfO2和 HfSiON介质材料结合会产生许多问题，为了解决这些不兼容问题，半导体业界利用金属代替多晶硅作为器件栅极材料，利用金属栅代替多晶硅栅可以改善费米能级的钉扎现象，同时金属栅极具有极高的电子密度，可以有效解决多晶栅极耗尽问题。另外，在高K介质材料与衬底之间的界面插入一层极薄的SiON 薄膜，利用 SiON 薄膜作为过渡层可以得到理想的SiON与Si 的界面，这样可以有效的改善高K介质材料与衬底之间的界面，也可以改善偶极子的振动对载流子迁移率的影响。SiON 薄膜是利用Si的高温热氧化技术（ISSG工艺）形成的。利用高K介质材料代替常规栅氧化层SiON 和金属栅代替多晶硅栅的工艺新为 HKMG 工艺技术，HK是 High-K的缩写，MG是Metal Gate 的缩写，也就是金属栅。
实现 HKMG 是一项极具挑战性的工艺技术，它要求用新的金属栅极材料、高K介质材料和集成方案。选择不同的金属栅极材料可以得到不同的栅极功函数，从而控制阈值电压Vt。为了实现HKMG工艺技术，半导体业界提出了二种主要的集成方案：一种先栅（Gate-First） 工艺技术，也称金属嵌入多晶硅柵 （Metal Inserted Poly Silicon, MIPS） 工艺技术，它的栅介质 材料是HfSiON，同时在高K介质材料和多晶硅栅之间插入一层金属材料，一种是后栅（Gate- Last）工艺技术，也称金属替代栅（Replacement Metal Gate, RMG）工艺技术，它的栅极是金属材料，它的栅介质材料是 HfO2。
