熱氧化（Thermal Oxidation）是將矽晶圓暴露在高溫（800～1200℃）的氧化性氣氛（乾氧或水蒸氣）中，使晶圓表面的矽與氧反應形成矽氧化膜（SiO₂）的製程。這是自1960年代起使用的最基礎半導體製程之一，特點是所形成的 SiO₂ 品質與界面潔淨度極高。
熱氧化分為2種模式。乾式氧化（Dry Oxidation）使用純氧（O₂），成長速度慢，但可獲得緻密且高品質的薄膜，用於閘極氧化膜等品質優先的用途。濕式氧化（Wet Oxidation）使用水蒸氣（H₂O），成長速度快，適合形成厚氧化膜（場氧化膜、STI 輔助）。
熱氧化所形成之 SiO₂ 的最大特點，是 Si/SiO₂ 界面的缺陷密度極低。這種潔淨的界面有助於降低電晶體的閘極漏電流並維持載子遷移率。不過，一般熱氧化的成長速度會隨氧化膜厚度增加而降低（Deal-Grove 模型），因此在形成數 nm 以下的超薄閘極絕緣膜上有其極限。
在現代先進邏輯中，閘極絕緣膜已改以 ALD 形成 High-k 材料（HfO₂ 等），取代傳統的 SiO₂。即便如此，熱氧化在閘極絕緣膜正下方反轉層（Inversion Layer）的 SiON 界面層（1～2nm）形成、STI（淺溝槽隔離）的氧化襯墊層、鈍化膜等許多步驟中仍持續使用。
熱氧化設備以立式與臥式擴散爐（Diffusion Furnace）為主流，主要供應商為東京威力科創（TEL）、國際電氣（Kokusai Electric，舊日立國際電氣）、ASM International（立式爐）。溫度均勻性與氧化氣氛潔淨度的管理，是決定膜品質的重要因素。