CN103579264B - 用于制造3d图像传感器结构的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制造3D图像传感器结构的系统和方法。所述方法包括在衬底上提供具有背照式光敏区的图像传感器，将第一介电层施加到所述衬底的与收集图像数据的衬底侧相对的第一侧，将可选为多晶硅的半导体层施加到所述第一介电层。至少一个控制晶体管可制造在所述半导体层内的第一介电层上，并且可选为行选择、复位或源极跟随器晶体管。将金属间介电层施加在所述第一介电层上方，以及可具有设置在其中的至少一个金属互连件。可将第二层间介电层设置在控制晶体管上。可通过将晶圆接合到所述衬底或通过沉积来施加所述介电层以及半导体层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及制造3D图像传感器结构的系统和方法。
背景技术
半导体图像传感器用于感测例如光的辐射。互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)及电荷耦合器件(CCD)传感器广泛用在诸如数位照相机或手机相机的各种应用中。这些器件利用位于衬底中的像素传感器阵列，像素传感器阵列可包括光电二极管和晶体管，以及可吸收向衬底投射的辐射，并可将感测到的辐射转化成电信号。
诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)的光电二极管通常用在照相机和其它视频或照相器件中感测图像。近来，通过使用背测照明(BSI)来改进光电二极管器件。BSI图像传感器件是一种使用具有光敏区的光电二极管(将所接收到的电磁能(例如光)转换成电荷)的图像传感器件。一般来说，光刻工艺将诸如栅极氧化物、金属互连件以及类似物的结构沉积在硅晶圆的顶面上或其它衬底上。早期的光电二极管是从顶面，即从器件结构所在的同一面，采集光。沉积在光电二极管衬底的顶面上的金属互连件可能会阻挡光电二极管的部分光敏区，从而降低图片质量及单个的光电二极管的敏感性。
可操作这些BSI图像传感器件以探测投射在其背侧的光。BSI图像传感器件具有相对薄的(例如，几微米厚)并可在其中形成感光像素的硅衬底。理想地，减少衬底的厚度以便光可进入器件的背面并照射光电二极管的光敏区，以消除在成像期间来自沉积结构及金属互连件的阻碍及干扰。BSI采集来自光电二极管衬底的背面的光，并且诸如金属互连件、栅极氧化物或类似物的干扰结构沉积在衬底的顶面，然后将衬底磨薄或用其它方法减薄以让光通过衬底并作用在光电二极管的光敏区。BSI图像传感器件的量子效率及最大阱容量可根据辐射感测区的尺寸而定。因而，降低源自覆盖的金属接触件的干扰量的能力，通过让更多的入射光照射图像传感器的光敏部分而不被覆盖的结构所阻碍，提高了图像传感器的量子效率。另外，对每个图像传感器来说，较大的光敏区及相关联的阱允许采集到较大量的光信息。因此，填充因子越大，或光电二极管面积与总管芯面积的比率越大，对于给定管芯尺寸允许收集的图像效率越大。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造图像传感器件的方法，包括：
在衬底上提供图像传感器，所述图像传感器至少包括设置在所述衬底的第一侧上的光敏区；
在所述衬底的第一侧施加第一介电层；
在所述第一介电层上施加半导体层；
在所述半导体层的上方形成至少一个晶体管；
在所述至少一个晶体管及所述半导体层的上方施加金属间介电层；以及
至少在所述金属间介电层中制造至少一个金属互连件。
在可选实施例中，所述图像传感器还包括在所述图像传感器中至少将所述光敏区与浮置扩散区桥接的转移栅极。
在可选实施例中，所述方法还包括在所述半导体层中限定源极区和漏极区。
在可选实施例中，通过将晶圆接合到所述衬底的第一侧来施加至少所述第一介电层。
在可选实施例中，所述晶圆包括电介质以及半导体材料，并且施加所述第一介电层以及施加所述半导体层包括将所述晶圆接合到所述衬底的第一侧。
在可选实施例中，通过将电介质沉积到所述衬底的第一侧来施加至少所述第一介电层。
在可选实施例中，在所述第一介电层以及所述至少一个晶体管的上方施加第二介电层，以及所述金属间介电层被施加在所述第二介电层的上方。
在可选实施例中，所述至少一个金属互连件将所述图像传感器和所述至少一个晶体管相连。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于制造图像传感器件的方法，包括：
在衬底上提供图像传感器，所述图像传感器至少包括设置在所述衬底的第一侧上的光敏区；
在所述衬底的第一侧施加第一介电层；
在所述第一介电层的至少一部分上施加半导体层；
将所述半导体层形成在一个或多个分离的器件区中；
在所述半导体层上制造至少一个控制晶体管；以及
在所述至少一个控制晶体管的上方形成金属互连件，其中所述金属互连件将所述图像传感器和所述至少一个控制晶体管电连接。
在可选实施例中，所述金属互连件位于所述至少一个控制晶体管上方设置的介电层中。
在可选实施例中，所述图像传感器还包括至少将所述光敏区与浮置扩散区桥接的转移栅极，其中，在所述转移栅极的上方施加所述第一介电层。
在可选实施例中，施加所述半导体层包括沉积多晶硅层。
在可选实施例中，制造至少一个控制晶体管包括为源极跟随器晶体管、复位晶体管以及行选择晶体管中的至少一个限定源极区和漏极区。
在可选实施例中，施加所述第一介电层以及施加所述半导体层包括将具有介电层和半导体层的晶圆接合到所述衬底的第一侧并且将所述半导体层减薄到预定的厚度。
根据本发明的又一方面，还提供了一种半导体图像传感器件，包括：
具有图像传感器的衬底，所述图像传感器具有光敏区，所述光敏区设置在所述衬底内和所述衬底的第一侧；
设置在所述衬底的第一侧上的第一层间介电层；
半导体层，设置在所述第一介电层上并且形成在一个或多个器件区中；
至少一个控制晶体管，设置在所述一个或多个器件区上；以及
金属间介电层，具有设置在其中并连接到至少一个晶体管的一个或多个互连件的至少一部分。
在可选实施例中，所述半导体图像传感器件还包括设置在所述衬底的第一侧上并且至少将所述光敏区与所述图像传感器的另一部分桥接的转移栅极，其中，所述第一层间介电层被施加在所述转移栅极上方。
在可选实施例中，所述互连件被配置成在至少一个控制晶体管与另一个控制晶体管、所述图像传感器以及所述转移栅极中的一个之间提供电连接。
在可选实施例中，所述控制晶体管包括源极跟随器晶体管、行选择晶体管以及复位晶体管中的至少一个。
在可选实施例中，所述半导体图像传感器件还包括第二层间介电层，所述第二层间介电层设置在所述第一层间介电层以及所述至少一个控制晶体管上，并且所述金属间介电层被设置在所述第二层间介电层上。
在可选实施例中，所述半导体层是多晶硅。
附图说明
为更完整地理解实施例及其优点，现将结合附图进行的以下描述作为参考，其中：
图1示出了根据本发明的用于加工图像传感器结构的方法流程图；以及
图2-10是根据本发明的在加工过程中图像传感器结构的各截面图。
具体实施方式
下面详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明主旨的具体方式，而不用于限制各实施例的范围。
本发明旨在提供一种图像传感器结构和器件以及制造方法，所述图像传感器结构以及器件具有增加的最大阱容量及填充因子。具体地，本发明提供的一种装置及方法，通过制造覆盖在图像传感器的前侧并且与图像收集面的相对的控制晶体管，提高了诸如光电二极管的图像传感器的密度。
将结合具体环境来描述各实施例，即结合用于制造具有更大的最大阱容量及填充因子的光电二极管器件的系统及方法。虽然在此提出的本发明为了清楚起见仅描述了对光电二极管的适用，但本技术人员会意识到本发明不仅限于单一的图像传感器或光电二极管，也可用于晶圆或芯片级制造，或任何其它的工艺系统。然而，其它的实施例也可适用于其它的器件，包括，但不限于电荷耦合器件、太阳能电池、发光二极管、显示阵列以及类似物。
在本发明的尤其有用的实施例中，CMOS有源像素传感器可包括四个晶体管单元，也称为4T单元，以及光电探测器(针状光电二极管或类似物)，转移栅极、复位栅极、选择栅极以及源跟随读出晶体管。针状光电二极管，当与转移栅极连接时，允许全电荷(complete charge)从针状光电二极管转移到浮置扩散区(进一步连接到读出晶体管的栅极)并消除滞后。复位晶体管复位光电探测器的浮置扩散区，从而去除了电荷并允许光电二极管捕获新的图像。当复位晶体管打开时，光电二极管有效地连接到电源，清除所有的集成电荷。由于复位晶体管是n型的，因此在软复位中操作像素。源极跟随器晶体管充当缓冲器或放大器以允许即使未去除蓄积电荷的情况下也可观察到像素电压。因而，每个光电二极管具有与其相关联的一个或多个控制晶体管，以及预限定的光电二极管组可具有与晶体管组相关联的一组或多组控制晶体管，例如列选择晶体管。将典型的两维像素阵列组织成行与列，行选择晶体管允许像素阵列的单行可被读出电子设备读出。另外的光电二极管配置也是已知的以及已用的。例如，3T单元可与4T单元相似，但少了一个转移栅极，而5T或6T单元可包括预充电或样本晶体管。
现在参考图1，描述了根据本发明的加工图像传感器结构的方法100。方法100是参照图2-图10的截面图而描述的，图2-图10是为了进行说明而绘制，并不需要按比例绘制。
首先，在框108中，可为前侧电路的集成创建以及加工具有一个或多个光电二极管或其它的图像传感器结构的晶圆。图2示出了在晶圆上的光电二极管200的一个实施例。光电二极管200可设置在晶圆或衬底210上，并且具有可使用任何适宜的方法(无论是已知的或者是尚未发现的)注入或是掺杂的光敏区202。光电二极管200可具有包括栅极氧化层及栅极接触件208的转移栅极204。在一些实施例中，转移栅极204可用于将电荷从光敏区202转移到浮动扩散区，以通过电荷感应电路读出。一个实施例可具有光电二极管一一为针状光电二极管200，针状光电二极管200的光敏区202是在n掺杂区上方的重p掺杂区。转移栅极204可将光敏区202作为晶体管源极，并可跨越光敏区202和浮动扩散区212，例如在衬底210中的n+掺杂区，例如重n掺杂漏极区。可选地，转移栅极204可跨越光敏区202以及离散限定的漏极区。另外，光电二极管200可具有隔离结构的或附加的扩散场以及栅极晶体管，用于例如控制过剩电荷以及晕染效应(blooming effect)，其中载体可渗透进相邻的光电二极管200，或可自相邻的光电二极管200渗透。光敏区202可紧邻晶圆衬底210的第一表面注入，可从相对面或第二面对晶圆衬底210进行减薄以防止金属线路或互连件对光敏区202造成阻塞。
可在光电二极管202上沉积绝缘层或介电层302，紧接着是半导体层或硅层402，前侧电路可制造在半导体层或硅层402上。框102示出了为形成前侧电路作准备将第二晶圆施加于光电二极管晶圆的一实施例的过程。框104示出了形成前侧电路的过程，而框106示出了器件完成及器件封装的过程。
在一实施例中，通过如框102所示的将第二晶圆接合到光电二极管202可沉积绝缘电介质302以及半导体层402。在框110中，在晶圆衬底上可生长一个或多个外延层，或在单独的晶圆上沉积或用其它方法制造外延层，然后在框112中，晶圆可接合到光电二极管202。在框112中的接合后，在框114中，可对第二晶圆，或电路晶圆进行减薄以去除载体材料，或得到在半导体层402或层间介电层302中的期望的或预定的厚度。
可选地，通过将晶圆接合到光电二极管200来施加绝缘层或层间介电层302，然后通过外延、沉积或相类似方法在该层上方沉积硅层。图3示出了光电二极管200具有已施加的绝缘介电层302的结构300。
在另一可选实施例中，可使用任何有益的技术，包括但不限于化学气相沉积、外延、原子层沉积或相类似方法，将绝缘层302以及任何其它层直接沉积在光电二极管中。在一有用的实施例中，在框116中，可沉积层间介电层以制造绝缘层302。介电绝缘层302优选地将光电二极管200与任何前侧元件电隔离，但也可具有低k值，或相对低的介电常数，以防止在器件之间或互连线之间的串音或电磁干扰。
框104示出了形成前侧电路的过程。在框118中，半导体层402，例如绝缘体上硅(SOI)多晶硅层，可沉积在绝缘层302上。在采用晶圆接合的实施例中，半导体层402可以是晶圆的一部分，以及可以在框112的晶圆接合工艺期间施加。另外，可在各分离的器件区或晶体管衬底中形成半导体层402，通过光刻掩蔽或蚀刻，或通过掩蔽以及选择性沉积半导体层402形成。
图4示出了具有半导体层402施加到绝缘层302的结构400。在沉积半导体层402中，掺杂可采用框118的沉积工艺实施或进行注入。因而，例如，半导体衬底402沉积成p型，n阱可通过离子注入来制造。可选地，半导体层402可以是接合到衬底210的第二晶圆的部分，以及在接合之后可以通过化学机械研磨或类似方法减薄到预定厚度。
图5示出了图案化的半导体层502。可对半导体层402(参考图4)进行图案化以形成图案化的半导体层502以及为前侧电路例如复位栅极，源极跟随器以及行选择栅极限定块状区(bulk region)或阱区。另外，非特定于单独的光电二极管200的电路可设置在3D结构的前侧。例如，列选择栅极、缓冲器或相类似物可限定或设置在图案化半导体层502的前侧。在限定半导体衬底之后，在框120中，源极及漏极区602可如图6所示进行限定及制造。可施加掩模，以及通过离子注入或其它的适宜的掺杂技术制造源极及漏极区602。
图7示出了具有前侧电路设置在其上的光电二极管200结构的截面图。在框122中，可限定栅极氧化物712以及栅极接触件710，并且，栅极氧化物712和栅极接触件710对跨越源极和漏极区602以限定晶体管沟道并形成分离的晶体管。以这种方式，制造行选择晶体管702、源极跟随器晶体管704以及复位晶体管706。虽然本发明描述为具有多个前侧晶体管，包括行选择晶体管702、源极跟随器晶体管704以及复位晶体管706中的每一个，然而本领域人员会意识到，另外的晶体管，例如在5T或6T像素传感器布置中的诸如预充电晶体管或样本晶体管，可以有利地包括在前侧电路中。
在尤其有用的实施例中，光电二极管200的光敏区202将可能填充最大百分比的表面面积，结果形成较大的填充因子以及更敏感的图像传感器。前侧电路可有利地设置在光电二极管衬底表面的前侧，以通过光电二极管200的背面而允许露出较大的光电二极管200的表面积，从而导致在给定衬底面积的较大的光收集区。前侧电路的使用，伴随着控制晶体管位于光电二极管的后面而不是旁边，允许衬底210的更多部分用于光电二极管200，并且尤其用于光敏区202。因而，可在不增加光电二极管200管芯的面积情况下获得更敏感的光电二极管阵列。另外，在光电二极管200下方的较大的阱使得较多的电荷可积聚在每个光电二极管200处，而且电荷阱并未超负荷。
另外，前侧电路的制造步骤独立于光电二极管200以及转移栅极204的制造步骤，前侧电路制造工艺并不一定要依靠用于形成光电二极管以及转移栅极204的制造工艺。因此，在不影响光电二极管200的性能的情况下，可调节前侧电路的制造工艺以用于可选的性能。例如，光电二极管200以及转移栅极204可使用第一制造技术来制造，例如32纳米工艺，而前侧电路可使用第二、不同的制造工艺来制造，例如90纳米工艺。在这样的实施例中，较大的前侧电路制造工艺目的在于导致用于前侧电路晶体管702，704以及706的更长的沟道，并因而导致在这些器件中噪音较小。
在一实施例中，如图8所示，在框124中，第二层间介电层802可选择性地沉积在晶体管702、704以及706的上方。这样，前侧控制晶体管702、704以及706通过位于第一和第二介电层302和802之间可有效地设置在层间介电层302以及802内，或者，前侧面电路晶体管702，704以及706可设置在第一层间介电层302上。
图9示出了具有设置在前侧电路上方的金属间介电层902以及一个或多个金属互连件904的光电二极管202结构的截面图。在框126中，金属间介电层902可沉积在第一介电层302上。可选地，如果在框124中实施第二层间介电层802，金属间介电层902可沉积在第二层间介电层802上。
在框128中，可贯穿层间介电层实施金属互连件904。金属互连件904可与金属间介电层902同时实施，金属间介电层902的子层与分层的金属互连件904共同组合，以通过接合焊盘等将前侧晶体管702，704以及706互相连接、或连接到转移栅极204接触件、连接到光电二极管202、以及连接到器件上的其它结构，或者连接到其他的外部器件。例如，互连件904可将源极跟随器704连接到接合焊盘，该接合焊盘与用于存储或处理感光器捕获的图像数据的存储器器件或存储处理器相连。因而，金属互连件提供了在前侧晶体管、光电二极管以及其它器件之间的电连接。
在一实施例中，可通过掩壁以及蚀刻绝缘介电层302以及第二介电层802，然后在所蚀刻的区域中沉积导电材料来形成金属互连件904的下部。金属互连件904在结构中延伸到不同的深度，包括延伸到转移栅极204、光电二极管200衬底210、前侧晶体管702、704以及706、源极和漏极区602以及前侧晶体管栅极接触件710。为了有效地蚀刻到金属互连904的下部所需的正确的深度，可优选地进行多个掩蔽步骤，并可结合多层金属间介电层902制造工艺进行。在一有用的实施例中，可将前侧晶体管施加到第一介电层302上，接着进行掩蔽、蚀刻以及形成金属互连904的下部。通过在晶体管以及第一介电层302的上方施加分层的金属间介电层902，可在多层中形成金属互连件的上部。可选地，在另一实施例中，前侧晶体管702、704以及706可设置在第一层间介电层302上以及第二层间介电层802下，这可使用多接触掩模或相类似方法对第一层间介电层302以及第二层间介电层802进行蚀刻以制造出金属互连件904的下部。在合适的位置形成互连件904比在接合之前将晶体管和互连件形成在单独的晶圆上更有利，因为可以省略掉接合焊盘对准或者晶圆间的互连件的对准的要求。
图10示出了减薄光电二极管衬底210后的3d图像传感器结构1000。在框132中，可减薄光电二极管衬底210以允许光电二极管200光敏区202通过光电二极管210的背侧接收到图像数据。在框130中将图像传感器结构1000接合到载体或其它封装件之后可在框132中有利地进行减薄，以致在加工期间，块状光电二极管衬底210用于支撑图像传感器结构。可选地，可在加工期间的有利时间进行框132的背侧减薄。
尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但应该理解为，在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，可以做各种不同的改变，替换和更改。例如，在不偏离本发明主旨的情况下，第二晶圆的接合以及层间介电层以及半导体层的施加可以以不同顺序进行。
而且，本申请的范围并不旨在限于本说明书中描述的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员，应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤包括在它们的范围内。
Claims (18)
1.一种用于制造图像传感器件的方法，包括：
在衬底上提供图像传感器，所述图像传感器至少包括设置在所述衬底的第一侧上的光敏区；
在所述衬底的第一侧施加第一介电层；
在所述第一介电层上施加半导体层，所述半导体层具有位于所述图像传感器的至少一部分上方的开口；
在所述半导体层的上方形成至少一个晶体管；
在所述至少一个晶体管及所述半导体层的上方施加金属间介电层；以及
至少在所述金属间介电层中制造至少一个金属互连件，
其中，所述方法还包括：在所述第一介电层以及所述至少一个晶体管的上方施加第二介电层，以及所述金属间介电层被施加在所述第二介电层的上方，并且所述第二介电层具有延伸至所述半导体层的所述开口内的介电质部分。
2.根据权利要求1所述的方法，所述图像传感器还包括在所述图像传感器中至少将所述光敏区与浮置扩散区桥接的转移栅极。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述半导体层中限定源极区和漏极区。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将晶圆接合到所述衬底的第一侧来施加至少所述第一介电层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述晶圆包括电介质以及半导体材料，并且施加所述第一介电层以及施加所述半导体层包括将所述晶圆接合到所述衬底的第一侧。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将电介质沉积到所述衬底的第一侧来施加至少所述第一介电层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个金属互连件将所述图像传感器和所述至少一个晶体管相连。
8.一种用于制造图像传感器件的方法，包括：
在衬底上提供图像传感器，所述图像传感器至少包括设置在所述衬底的第一侧上的光敏区和转移栅极；
在所述衬底的第一侧施加第一介电层；
在所述第一介电层的至少一部分上施加半导体层，所述半导体层具有设置在所述转移栅极两侧并且被开口分隔的第一部分和第二部分；
将所述半导体层形成在一个或多个分离的器件区中；
在所述半导体层上制造至少一个控制晶体管；以及
在所述至少一个控制晶体管的上方形成金属互连件，其中所述金属互连件将所述图像传感器和所述至少一个控制晶体管电连接，
其中，所述方法还包括：在所述第一介电层以及所述至少一个控制晶体管的上方施加第二介电层，以及金属间介电层被施加在所述第二介电层的上方，并且所述第二介电层具有延伸至所述开口内的介电质部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述金属互连件位于所述至少一个控制晶体管上方设置的所述第二介电层和所述金属间介电层中。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述转移栅极至少将所述光敏区与浮置扩散区桥接，其中，在所述转移栅极的上方施加所述第一介电层。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，施加所述半导体层包括沉积多晶硅层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，制造至少一个控制晶体管包括为源极跟随器晶体管、复位晶体管以及行选择晶体管中的至少一个限定源极区和漏极区。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，施加所述第一介电层以及施加所述半导体层包括将具有介电层和半导体层的晶圆接合到所述衬底的第一侧并且将所述半导体层减薄到预定的厚度。
14.一种半导体图像传感器件，包括：
具有图像传感器的衬底，所述图像传感器具有光敏区，所述光敏区设置在所述衬底内和所述衬底的第一侧；
设置在所述衬底的第一侧上的第一层间介电层；
半导体层，设置在所述第一介电层上并且形成在一个或多个器件区中；
至少一个控制晶体管，设置在所述一个或多个器件区上；以及
金属间介电层，具有设置在其中并连接到至少一个晶体管的一个或多个互连件的至少一部分，
其中，所述半导体图像传感器件还包括：第二层间介电层，所述第二层间介电层设置在所述第一层间介电层以及所述至少一个控制晶体管上，并且所述金属间介电层被设置在所述第二层间介电层上，并且所述第二层间介电层的至少一部分与所述一个或多个器件区之间的所述第一层间介电层相接触。
15.根据权利要求14所述的半导体图像传感器件，还包括设置在所述衬底的第一侧上并且至少将所述光敏区与所述图像传感器的另一部分桥接的转移栅极，其中，所述第一层间介电层被施加在所述转移栅极上方。
16.根据权利要求15所述的半导体图像传感器件，其中，所述互连件被配置成在至少一个控制晶体管与另一个控制晶体管、所述图像传感器以及所述转移栅极中的一个之间提供电连接。
17.根据权利要求14所述的半导体图像传感器件，其中，所述控制晶体管包括源极跟随器晶体管、行选择晶体管以及复位晶体管中的至少一个。
18.根据权利要求14所述的半导体图像传感器件，其中，所述半导体层是多晶硅。
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