金属栅极的使用-----------纳米集成电路制造工艺 张汝京等 编著
随着铪基高k材料的引入，人们发现高k介质与多晶硅栅极的兼容性一直是影响高k材料使用的一个障碍。
因为栅极的一个关键特性是它的功函数，即自由载流子逃逸所需要的能量。功函数决定器件的阈值电压Vt。传统的栅介电材料SiO2或SiON采用多晶硅为栅极，功函数取决于多晶硅的掺杂浓度。半导体制造商可以根据设计需要很容易地改变多晶硅掺杂浓度来得到所需的阈值电压。然而随着铪基高k材料的引入，人们发现如果继续使用多晶硅作为栅极材料，铪基材料与多晶硅材料之间会形成Hf-Si键从而产生所谓的“费米钉轧现象”，即功函数被拉向多晶硅能带间隙中央，这种现象在PMOS 器件中更显著，这就使得阈值电压变得不可调制。而金属栅极的使用可以解决栅极和高k栅介质材料的相容性问题。
与此同时，栅极同样面临等比例缩小的挑战。施加在栅极上的电压会将少数载流子从沟道区吸引到电介质和沟道的界面处，形成反型载流子分布。这时会在栅极的两侧形成载流子的累积，以维持电荷中性，这必将耗尽附近半导体的电荷。当半导体的电荷被完全耗尽时，半导体就等于绝缘体了，相当于增大了栅介质的有效厚度。尽管耗尽层厚度只有几个埃的SiO2厚度（对于 NMOS为2~4A，对于PMOS 为3~6A），但是当栅介质厚度降到十几个埃左右时，这一厚度的影响就变得十分显著。由于降低等效氧化层厚度是器件等比例缩小的关键，因此多晶硅的耗尽就成了一个很大的障碍。
虽然可以通过提高多晶硅栅极的掺杂浓度来提高材料中自由载流子的浓度，以此来缓解多晶硅的耗尽，但是栅极中的掺杂已经接近饱和水平，尤其对 PMOS来讲，高浓度硼穿透栅介质已经是十分严重的问题了。而金属中有大量的自由载流子浓度，不会受到耗尽的限制。
另外采用金属栅替代多晶硅栅还可以消除远程库仑散射效应，有效抑制高k栅介质中表面软声子散射引起的沟道载流子迁移率下降。与多晶硅栅/高k介质相比，金属栅/高k介质栅结构具有更高的电子和空穴迁移率，合适的阈值电压，在RMOS和 PMOS 器件中具有更高的驱动电流性能。