正如之前所述，进一步降低 EOT 需要采用高k栅介电材料。新的栅极电介质和原来的栅极的多晶硅并不兼容。高k栅介电材料中的金属铪能够与多晶硅栅电极中的硅发生反应，从而导致费米能级钉扎效应（Fermi level pining），这将降低Vt的调节能力。针对这一问题的解决方案是用金属电极取代多晶硅。采用金属作栅电极材料能够有效地解决上述问题，并降低栅电极电阻。金属电极还可以解决多晶硅栅耗尽效应（Poly DepletionEffect,PDE）。多晶硅栅耗尽效应会引起等效栅氧厚度增加，在小尺寸器件中表现更为明显，导致短沟效应严重，栅控能力下降。

因为 CMOS 同时包含 NMOS 和PMOS 器件，而NMOS 需要的金属功函数为4.2eV，PMOS 则需要功函数为5.2eV 的金属栅。采用高k材料/金属栅需要采用三种新材料：高k绝缘材料、用于 NMOS 的金属（金属功函数4.2eV）以及用于 PMOS的金属（金属功函数5.2eV）。总的来说，这种方法就是使用两种不同“功函数”的金属（用以确保满足Vt要求）和一种绝缘材料。

另一种实现高k绝缘材料/金属栅电极的技术解决方案是，沉积两种不同的绝缘材料来取代不同功函数的金属。用于 NMOS 器件的可以是铪化物与一种带有更多正电性的绝缘材料，如氧化镧等的组合，这种绝缘材料的内建偶极子场能够调整器件的Vt，而不受金属功函数的影响：对于 PMOS 器件，铪化物必须与另一种带有更多负电性的绝缘材料配合使用，如基于铝的氧化物等的组合。这些技术方案需要不同的材料、生产流程甚至生产设备，以满足大生产的需求。

高k金属栅的制造工艺大致分为金属栅极置前和金属栅极置后两种工艺。在金属栅极置前工艺中，高k材料和金属栅极都在形成源漏之前形成，这要求高k材料和金属栅经历高温热活化过程。相反地，在金属栅极置后工艺中，在源漏热活化工程之后形成金属栅。因而，前者的栅介电材料（如铪硅酸盐）和金属栅极需要有较高的热稳定性，其工艺与旧有多晶硅工艺基本类似。金属栅极置后工艺更为复杂，同时它在版图设计上需要有更多的限制，以适应平坦化工艺的需求。但是，高k 和金属栅不需要经过高温过程。金属栅极置后工艺提供了更好的Vt调节能力和更高的器件电学性能，这在 PMOS上表现更为明显。另外也有报道披露混合工艺技术，即 NMOS采用金属栅极置前工艺，而PMOS 采用金属栅极置后工艺。