よって、該トランジスタを用いることで高性能および高信頼性の半導体装置を提供することができる。以上、本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。【0215】(実施の形態4)本実施の形態においては、実施の形態1または実施の形態2に示すトランジスタを使用し、電力が供給されない状況でも記憶内容の保持が可能で、かつ、書き込み回数にも制限が無い半導体装置について、実施の形態3に示した構成と異なる構成について、図9および図10を用いて説明を行う。本実施の形態の半導体装置は、トランジスタ162として実施の形態1または実施の形態2に記載のトランジスタを適用して構成される。トランジスタ162としては、実施の形態1または実施の形態2で示すトランジスタのいずれの構造も適用することができる。図9(A)は、半導体装置の回路構成の一例を示し、図9(B)は半導体装置の一例を示す概念図である。図9(A)に示す半導体装置について説明を行い、続けて図9(B)に示す半導体装置について、以下説明を行う。図9(A)に示す半導体装置において、ビット線BLとトランジスタ162のソース電極またはドレイン電極とは電気的に接続され、ワード線WLとトランジスタ162のゲート電極層とは電気的に接続され、トランジスタ162のソース電極またはドレイン電極と容量素子254の第1の端子とは電気的に接続されている。酸化物半導体を用いたトランジスタ162は、オフ電流が極めて小さいという特徴を有している。このため、トランジスタ162をオフ状態とすることで、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは、容量素子254に蓄積された電荷)を極めて長時間にわたって保持することが可能である。次に、図9(A)に示す半導体装置(メモリセル250)に、情報の書き込みおよび保持を行う場合について説明する。【0220】まず、ワード線WLの電位を、トランジスタ162がオン状態となる電位として、トランジスタ162をオン状態とする。これにより、ビット線BLの電位が、容量素子254の第1の端子に与えられる(書き込み)。その後、ワード線WLの電位を、トランジスタ162がオフ状態となる電位として、トランジスタ162をオフ状態とすることにより、容量素子254の第1の端子の電位が保持される(保持)。【0221】トランジスタ162のオフ電流は極めて小さいから、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは容量素子に蓄積された電荷)は長時間にわたって保持することができる。次に、情報の読み出しについて説明する。トランジスタ162がオン状態となると、浮遊状態であるビット線BLと容量素子254とが導通し、ビット線BLと容量素子254の間で電荷が再分配される。その結果、ビット線BLの電位が変化する。ビット線BLの電位の変化量は、容量素子254の第1の端子の電位(あるいは容量素子254に蓄積された電荷)によって、異なる値をとる。容量素子254の第1の端子の電位をV、容量素子254の容量をC、ビット線BLが有する容量成分(以下、ビット線容量とも呼ぶ)をCB、電荷が再分配される前のビット線BLの電位をVB0とすると、電荷が再分配された後のビット線BLの電位は、(CB×VB0+C×V)/(CB+C)となる。従って、メモリセル250の状態として、容量素子254の第1の端子の電位がV1とV0(V1>V0)の2状態をとるとすると、電位V1を保持している場合のビット線BLの電位(=(CB×VB0+C×V1)/(CB+C))は、電位V0を保持している場合のビット線BLの電位(=(CB×VB0+C×V0)/(CB+C))よりも高くなることがわかる。【0224】そして、ビット線BLの電位を所定の電位と比較することで、情報を読み出すことができる。【0225】このように、図9(A)に示す半導体装置は、トランジスタ162のオフ電流が極めて小さいという特徴から、容量素子254に蓄積された電荷は長時間にわたって保持することができる。リフレッシュ動作が不要となるか、または、リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。電力の供給がない場合であっても、長期にわたって記憶内容を保持することが可能である。次に、図9(B)に示す半導体装置について、説明を行う。図9(B)に示す半導体装置は、上部に記憶回路として図9(A)に示したメモリセル250を複数有するメモリセルアレイ251aおよびメモリセルアレイ251bを有し、下部に、メモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251aおよびメモリセルアレイ251b)を動作させるために必要な周辺回路253を有する。周辺回路253は、メモリセルアレイ251と電気的に接続されている。図9(B)に示した構成とすることにより、周辺回路253をメモリセルアレイ251(メモリセルアレイ251aおよびメモリセルアレイ251b)の直下に設けることができるため半導体装置の小型化を図ることができる。周辺回路253に設けられるトランジスタは、トランジスタ162とは異なる半導体材料を用いるのがより好ましい。シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化シリコン、またはガリウムヒ素等を用いることができ、単結晶半導体を用いることが好ましい。他に、有機半導体材料などを用いてもよい。このような半導体材料を用いたトランジスタは、十分な高速動作が可能である。)を好適に実現することが可能である。【0230】なお、図9(B)に示した半導体装置では、2つのメモリセルアレイ(メモリセルアレイ251aと、メモリセルアレイ251b)が積層された構成を例示したが、積層するメモリセルの数はこれに限定されない。3つ以上のメモリセルを積層する構成としても良い。次に、図9(A)に示したメモリセル250の具体的な構成について図10を用いて説明を行う。図10は、メモリセル250の構成の一例である。図10(A)に、メモリセル250の平面図を、図10(B)に図10(A)の線分A−Bにおける断面図をそれぞれ示す。図10(A)および図10(B)に示すトランジスタ162は、実施の形態1または実施の形態2で示した構成と同一の構成とすることができる。図10(B)に示すように、電極502および電極504上にトランジスタ162が設けられている。電極502は、図9(A)におけるビット線BLとして機能する配線であり、トランジスタ162の低抵抗領域と接して設けられている。電極504は、図10(B)における容量素子254の一方の電極として機能し、トランジスタ162の低抵抗領域と接して設けられている。トランジスタ162において、電極504と重畳する領域に設けられた電極506は、容量素子254の他方の電極として機能する。【0235】また、図10(A)に示すように、容量素子254の他方の電極506は、容量線508と電気的に接続する。ゲート絶縁層146を介して酸化物半導体層144上に設けられたゲート電極層148aは、ワード線509と電気的に接続する。【0236】また、図10(C)に、メモリセルアレイ251と、周辺回路との接続部における断面図を示す。周辺回路は、例えばnチャネル型トランジスタ510およびpチャネル型トランジスタ512を含む構成とすることができる。半導体材料(シリコンなど)を用いるのが好ましい。このような材料を用いることで、周辺回路に含まれるトランジスタの高速動作を図ることができる。図10(A)に示す平面レイアウトを採用することにより、半導体装置の占有面積の低減を図ることができるため、高集積化を図ることができる。以上のように、上部に多層に形成された複数のメモリセルは、酸化物半導体を用いたトランジスタにより形成されている。高純度化され、真性化された酸化物半導体を用いたトランジスタは、オフ電流が小さいため、これを用いることにより長期にわたり記憶内容を保持することが可能である。リフレッシュ動作の頻度を極めて低くすることが可能となるため、消費電力を十分に低減することができる。容量素子254は、図10(B)で示すように電極504、ゲート絶縁層146、電極506が積層されることによって形成される。材料を用いたトランジスタ(換言すると、十分な高速動作が可能なトランジスタ)を用いた周辺回路と、酸化物半導体を用いたトランジスタ(より広義には、十分にオフ電流が小さいトランジスタ)を用いた記憶回路とを一体に備えることで、これまでにない特徴を有する半導体装置を実現することができる。周辺回路と記憶回路を積層構造とすることにより、半導体装置の集積化を図ることができる。本実施の形態は、他の実施の形態に記載した構成と適宜組み合わせて実施することが可能である。【0241】(実施の形態5)本実施の形態では、先の実施の形態で示した半導体装置を携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器に応用した場合の例を図11乃至図14を用いて説明する。携帯電話、スマートフォン、電子書籍などの携帯機器においては、画像データの一時記憶などにSRAMまたはDRAMが使用されている。SRAMまたはDRAMが使用される理由としてはフラッシュメモリでは応答が遅く、画像処理では不向きであるためである。一方で、SRAMまたはDRAMを画像データの一時記憶に用いた場合、以下の特徴がある。通常のSRAMは、図11(A)に示すように1つのメモリセルがトランジスタ801〜806の6個のトランジスタで構成されており、それをXデコーダー807、Yデコーダー808にて駆動している。トランジスタ803とトランジスタ805、トランジスタ804とトランジスタ806はインバータを構成し、高速駆動を可能としている。1つのメモリセルが6トランジスタで構成されているため、セル面積が大きいという欠点がある。デザインルールの最小寸法をFとしたときにSRAMのメモリセル面積は通常100〜150F2である。このためSRAMはビットあたりの単価が各種メモリの中で最も高い。【0244】それに対して、DRAMはメモリセルが図11(B)に示すようにトランジスタ811、保持容量812によって構成され、それをXデコーダー813、Yデコーダー814にて駆動している。1つのセルが1トランジスタ1容量の構成になっており、面積が小さい。DRAMのメモリセル面積は通常10F2以下である。DRAMは常にリフレッシュが必要であり、書き換えを行わない場合でも電力を消費する。【0245】しかし、先の実施の形態で説明した半導体装置のメモリセル面積は、10F2前後であり、且つ頻繁なリフレッシュは不要である。したがって、メモリセル面積が縮小され、且つ消費電力を低減することができる。図12に携帯機器のブロック図を示す。図12に示す携帯機器はRF回路901、アナログベースバンド回路902、デジタルベースバンド回路903、バッテリー904、電源回路905、アプリケーションプロセッサ906、フラッシュメモリ910、ディスプレイコントローラ911、メモリ回路912、ディスプレイ913、タッチセンサ919、音声回路917、キーボード918などより構成されている。ディスプレイ913は表示部914、ソースドライバ915、ゲートドライバ916によって構成されている。アプリケーションプロセッサ906はCPU907、DSP908、インターフェイス(IF)909を有している。一般にメモリ回路912はSRAMまたはDRAMで構成されており、この部分に先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。図13に、ディスプレイのメモリ回路950に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用した例を示す。図13に示すメモリ回路950は、メモリ952、メモリ953、スイッチ954、スイッチ955およびメモリコントローラ951により構成されている。メモリ回路は、信号線から入力された画像データ(入力画像データ)、メモリ952、およびメモリ953に記憶されたデータ(記憶画像データ)を読み出し、および制御を行うディスプレイコントローラ956と、ディスプレイコントローラ956からの信号により表示するディスプレイ957が接続されている。【0248】まず、ある画像データがアプリケーションプロセッサ(図示しない)によって、形成される(入力画像データA)。入力画像データAは、スイッチ954を介してメモリ952に記憶される。メモリ952に記憶された画像データ(記憶画像データA)は、スイッチ955、およびディスプレイコントローラ956を介してディスプレイ957に送られ、表示される。入力画像データAに変更が無い場合、記憶画像データAは、通常30〜60Hz程度の周期でメモリ952からスイッチ955を介して、ディスプレイコントローラ956により読み出される。次に、例えばユーザーが画面を書き換える操作をしたとき(すなわち、入力画像データAに変更が有る場合)、アプリケーションプロセッサは新たな画像データ(入力画像データB)を形成する。入力画像データBはスイッチ954を介してメモリ953に記憶される。この間も定期的にメモリ952からスイッチ955を介して記憶画像データAは読み出されている。メモリ953に新たな画像データ(記憶画像データB)が記憶し終わると、ディスプレイ957の次のフレームより、記憶画像データBは読み出され、スイッチ955、およびディスプレイコントローラ956を介して、ディスプレイ957に記憶画像データBが送られ、表示が行われる。この読み出しはさらに次に新たな画像データがメモリ952に記憶されるまで継続される。【0251】このようにメモリ952およびメモリ953は交互に画像データの書き込みと、画像データの読み出しを行うことによって、ディスプレイ957の表示をおこなう。メモリ952およびメモリ953はそれぞれ別のメモリには限定されず、1つのメモリを分割して使用してもよい。先の実施の形態で説明した半導体装置をメモリ952およびメモリ953に採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。図14に電子書籍のブロック図を示す。図14に示す電子書籍はバッテリー1001、電源回路1002、マイクロプロセッサ1003、フラッシュメモリ1004、音声回路1005、キーボード1006、メモリ回路1007、タッチパネル1008、ディスプレイ1009、ディスプレイコントローラ1010によって構成される。【0253】ここでは、図14のメモリ回路1007に先の実施の形態で説明した半導体装置を使用することができる。メモリ回路1007は書籍の内容を一時的に保持する機能を持つ。ユーザーが電子書籍を読んでいるときに、表示の色を変える、アンダーラインを引く、文字を太くする、文字の書体を変えるなどによって、特定の箇所を周囲と区別するハイライト機能を使用する場合などがある。ユーザーが指定した箇所の情報を長期に保存する場合にはフラッシュメモリ1004にコピーしても良い。このような場合においても、先の実施の形態で説明した半導体装置を採用することによって、情報の書き込みおよび読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力が十分に低減することができる。以上のように、本実施の形態に示す携帯機器には、先の実施の形態に係る半導体装置が搭載されている。このため、読み出しが高速で、長期間の記憶保持が可能で、且つ消費電力を低減した携帯機器が実現される。本実施の形態に示す構成、方法などは、他の実施の形態に示す構成、方法などと適宜組み合わせて用いることができる。前記不純物の添加方法がイオンドーピング法またはイオンインプランテーション法である請求項8乃至請求項13のいずれか一に記載の半導体装置の作製方法。ekouhou.net。