ゲート酸化膜（ゲートさんかまく）とは、MOSFETのゲート電極とチャネル（半導体）の間に挟まれた絶縁膜のことです。ゲート絶縁膜とも呼ばれ、ゲート電圧で下のチャネルの導電性を制御しつつ、ゲートとチャネルの間に電流を流さない役割を担う、MOSトランジスタの心臓部です。
従来のゲート酸化膜は、シリコンを高温で酸化して形成する二酸化シリコン（SiO₂）が使われてきました。SiO₂はシリコンと良質な界面を作れるため長く主役でしたが、微細化でゲート酸化膜を薄くするとトンネルリーク電流が急増する問題に直面しました。
この問題を解決するために、45nm世代以降ではHigh-k（高誘電率）材料であるハフニウム酸化物（HfO₂）系のゲート絶縁膜が導入されました。High-k材料は物理膜厚を厚くしたまま容量（電気的な薄さ、EOT）を確保できるため、リーク電流を抑えつつゲート制御性を維持できます。現在はHigh-k絶縁膜とメタルゲートを組み合わせたHKMG構造が標準です。