본 발명은 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자에 있어서, 상부와 하부에 전극을 형성하고, 상기 전극 사이에, 저항변화에 핵심적인 다량의 산소공공(oxygen vacancy)을 포함하는 산화막을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 기억소자의 제조 공정 기술, 그 제조 장치 및 비휘발성 기억소자에 관한 것이다. 특히 저항변화를 이용한 저항성 메모리(Resistance RAM, 'ReRAM') 소자의 신뢰성을 개선하기 위하여 수소 또는 중수소 처리 및 열처리를 통하여 금속/산화막 계면에 다량의 산소공공을 형성한다. 본 발명에 따르면 비휘발성 기억소자 내의 다량의 산소공공이 저항변화를 극대화시켜 안정적인 반도체 기억소자의 동작 특성을 확보할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. ReRAM, 산화막, 수소, 중수소, 비휘발성