最大的差異在於「閘極介電層與電極的材料」。多晶矽閘極是在SiO₂（或SiON）介電層上方放置摻雜雜質的多晶矽電極的結構，數十年來一直是CMOS的標準。然而當介電層薄到1nm左右時，電子穿過介電層的穿隧漏電急遽增加，難以再進一步微縮。HKMG使用介電常數高的HfO₂系High-k介電層，在維持較厚物理膜厚的同時保持相同的電性厚度，並將電極換成TiN等金屬，消除多晶矽特有的空乏化以及與High-k介電層搭配不佳的問題。英特爾於2007年在45nm世代開始量產，目前的先進邏輯全部採用HKMG。另一方面，在28nm以上的成熟節點，成本較低的多晶矽閘極仍持續使用。
主要差異
| 比較面向 | HKMG（High-k/Metal Gate） | 多晶矽閘極（SiO₂/SiON＋多晶矽） |
|---|---|---|
| 閘極介電層 | HfO₂系High-k介電層（與矽的介面有極薄的SiO₂層） | SiO₂，或添加氮的SiON |
| 介電層的相對介電常數 | 約20～25（HfO₂） | 約3.9（SiO₂） |
| 閘極電極 | TiN、TaN、TiAl等金屬堆疊，以及W、Al等填充金屬 | 高濃度摻雜磷或硼的多晶矽 |
| 閘極漏電流 | 可加厚物理膜厚，因此大幅降低 | 膜厚在1nm左右時穿隧漏電急增 |
| 閘極電極空乏化 | 為金屬，因此不會發生 | 會發生（等效介電層厚度變厚） |
| 臨界電壓調整 | NMOS與PMOS分別使用功函數不同的金屬 | 以多晶矽摻雜（n型・p型）與通道摻雜調整 |
| 製法 | 以Gate-Last（替代金屬閘極）為主流 | 先形成閘極電極的傳統製程順序 |
| 主要薄膜沉積方法 | ALD（High-k介電層、功函數金屬） | 熱氧化・氮化、CVD（多晶矽） |
| 製程步驟數・成本 | 增加虛設閘極移除與金屬填充，步驟較多 | 步驟少、成本低 |
| 適用節點 | 45nm/32nm以後的高效能邏輯，所有FinFET與GAA | 28nm以上的成熟節點、重視成本的產品 |
多晶矽閘極走到瓶頸的原因
電晶體微縮時，為了維持閘極控制通道的能力，閘極介電層也必須變薄。SiO₂系介電層在90nm～65nm世代已薄到1.2nm左右，相當於僅數層原子的厚度。到了這個厚度，電子會因量子力學的穿隧效應穿過介電層，產生閘極漏電流。膜厚只要稍微變薄，漏電就會增加數倍，因此再進一步薄化在功耗與發熱方面已不切實際。此外，多晶矽電極在與介電層的介面側會產生些許空乏化，使等效介電層厚度變厚，這也是一個問題。
High-k介電層解決了什麼
閘極控制通道的強度，並非由介電層本身的厚度決定，而是由考量介電常數後的電性厚度決定。將其換算為SiO₂來表示的就是EOT（等效氧化層厚度）。HfO₂的相對介電常數是SiO₂的5～6倍，因此能以5～6倍的物理膜厚實現相同的EOT。物理上較厚的膜讓電子不易穿隧，可以在維持閘極控制能力的同時大幅抑制漏電流。不過High-k介電層與矽之間的介面品質不如SiO₂，因此實際上會在與矽之間保留極薄的SiO₂介面層再進行堆疊。
為什麼電極也必須換成金屬
若直接在High-k介電層上放置多晶矽電極，介面反應會引發費米能階釘扎，使臨界電壓無法對準目標值，而High-k介電層中的晶格振動（聲子）也會降低通道遷移率。金屬電極能抑制這些問題，同時消除多晶矽的空乏化。代價是無法再以多晶矽的摻雜來調整臨界電壓，NMOS與PMOS必須分別使用功函數不同的金屬。High-k與金屬閘極之所以總是被相提並論，就是因為只靠其中一方無法解決問題。
Gate-First與Gate-Last
HKMG的製法有2種：以與傳統相同的順序先製作High-k介電層與金屬閘極的Gate-First，以及先用暫時的多晶矽閘極（虛設閘極）做到源極・汲極，再移除虛設閘極並填入金屬的Gate-Last（替代金屬閘極）。Gate-First的製程較單純，但弱點是源極・汲極活化所需的高溫熱處理容易使金屬的功函數改變。Gate-Last雖然製程較複雜，但金屬不經歷高溫，較容易控制臨界電壓，包括FinFET與GAA在內的現行先進邏輯都採用這種方式製作。值得一提的是，即使是Gate-Last，多晶矽仍持續作為虛設閘極使用。
總結（該選哪一種）
在效能與功耗為第一優先的先進邏輯中，HKMG是前提。FinFET與GAA沒有HKMG就無法成立。另一方面，在28nm以上的成熟節點，對漏電流要求沒那麼嚴格、重視成本的微控制器、類比IC與顯示器驅動IC等產品，製程步驟少、成本低的多晶矽閘極至今仍是合理的選擇。台積電的28nm世代同時提供多晶矽閘極版與HKMG版，正反映了這種選用方式。