FR2968129A1 - Dispositif semi-conducteur comprenant un condensateur et un via de connexion électrique et procédé de fabrication - Google Patents

Dispositif semi-conducteur comprenant un condensateur et un via de connexion électrique et procédé de fabrication Download PDF

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Sylvain Joblot
Alexis Farcy
Jean-Francois Carpentier
Pierre Bar
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STMicroelectronics SA
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Abstract

Dispositif semi-conducteur et procédé pour sa fabrication, dans lesquels une plaquette diélectrique (17) est munie, au-dessus d'une face avant (10a), d'un moyen de connexion électrique avant (13) comprenant une portion de connexion électrique (14) parallèle à cette face avant, un trou borgne (21) traversant la plaquette et découvrant au moins partiellement une face arrière de la portion de connexion électrique (14) étant aménagé. Un condensateur traversant (30) est formé dans le trou borgne (21) et comprend une couche conductrice (24) couvrant la paroi latérale et la portion de connexion électrique (14) et formant une électrode externe (32), une couche intermédiaire diélectrique (27) couvrant la couche conductrice ci-dessus (24) et formant une membrane diélectrique (33), et un matériau conducteur de remplissage (28a, 29a), remplissant au moins partiellement la couche intermédiaire diélectrique (27) et formant une électrode interne (34). Un moyen de connexion électrique arrière (35) est relié à l'électrode interne (34).

Description

GRB 10-2310FR 1 Dispositif semi-conducteur comprenant un condensateur et un via de connexion électrique et procédé de fabrication La présente invention concerne le domaine des dispositifs semi-conducteurs. I1 est connu, en particulier par le brevet US 2008/0173993, de réaliser, par la face avant d'un substrat munie de circuits intégrés, des condensateurs dans un trou borgne du substrat, dont les électrodes présentent, au-dessus de la face avant du substrat, des collerettes avant s'étendant radialement au trou borgne et reliées aux circuits intégrés par l'intermédiaire d'un réseau avant de connexion électrique. La structure proposée permet uniquement une telle connexion électrique du condensateur. I1 existe un besoin de réduire les distances des connexions électriques et les résistances électriques, et/ou un besoin d'augmenter les densités d'intégration et/ou un besoin d'augmenter les surfaces développées des capacités. I1 est proposé un dispositif semi-conducteur. Le dispositif peut comprendre une plaquette diélectrique munie, au-dessus d'une face avant, d'un moyen de connexion électrique avant comprenant une portion de connexion électrique parallèle à cette face avant, un trou borgne traversant la plaquette et découvrant au moins partiellement une face arrière de la portion de connexion électrique étant aménagé.
Le dispositif peut en outre comprendre un condensateur traversant formé dans le trou borgne et comprenant une couche conductrice couvrant la paroi latérale et la portion de connexion électrique et formant une électrode externe, une couche intermédiaire diélectrique couvrant la couche conductrice ci-dessus et formant une membrane diélectrique, et un matériau conducteur de remplissage, remplissant au moins partiellement la couche intermédiaire diélectrique et formant une électrode interne. Le dispositif peut également comprendre un moyen de connexion électrique arrière de l'électrode interne.
Le dispositif peut comprendre un moyen de connexion électrique relié à ladite portion de connexion électrique. Le dispositif peut comprendre un via de connexion électrique traversant ladite plaquette.
Le dispositif peut comprendre un moyen de connexion électrique de l'électrode externe du condensateur audit via traversant de connexion électrique. La plaquette peut comprendre un substrat diélectrique sur une face avant duquel sont formés des circuits intégrés.
Le dispositif peut comprendre un moyen de connexion électrique reliant ladite portion de connexion électrique et les circuits intégrés. Le dispositif peut comprendre un moyen de connexion électrique externe pour relier à un dispositif électronique ladite portion de connexion électrique reliée à l'électrode externe du condensateur. Le dispositif peut comprendre un moyen de connexion électrique externe pour relier à un dispositif électronique l'électrode interne du condensateur.
I1 est également proposé un procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur comprenant une plaquette munie, au-dessus d'une face avant, d'un moyen de connexion électrique avant comprenant une portion de connexion électrique et comprenant un condensateur.
Le procédé peut comprendre : réaliser un trou borgne au travers de la plaquette et jusqu'à ladite portion de connexion électrique ; former successivement, dans le trou borgne, une première portion de couche conductrice formant une électrode externe du condensateur reliée à ladite portion de connexion électrique, une couche diélectrique formant une membrane diélectrique du condensateur et une seconde portion couche conductrice formant une électrode interne du condensateur ; et réaliser un moyen de connexion électrique arrière de l'électrode interne.
Le procédé peut comprendre : réaliser un moyen de connexion électrique entre ladite portion de connexion électrique à des circuits intégrés de ladite plaquette. Le procédé peut comprendre réaliser un moyen avant de connexion électrique extérieure de ladite portion de connexion électrique. Le procédé peut comprendre : réaliser un moyen arrière de connexion électrique extérieure de l'électrode interne. I1 est également proposé un procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur comprenant une plaquette munie, au-dessus d'une face avant, d'un moyen de connexion électrique avant comprenant deux portions de connexion électrique et comprenant un condensateur et un via de connexion électrique. Le procédé peut comprendre : réaliser deux trous borgnes au travers de la plaquette et jusqu'auxdites portions de connexion électrique ; déposer une première couche conductrice et enlever une partie de cette couche conductrice de façon à former une première portion conductrice dans le premier trou borgne et une seconde portion conductrice dans le second trou borgne ; déposer une couche diélectrique et enlever une partie de cette couche diélectrique de façon à former une membrane diélectrique dans le trou de la première portion conductrice ; et déposer une seconde couche conductrice dans le trou de la membrane diélectrique et dans le trou de la seconde portion conductrice.
Ainsi, la première portion conductrice, la membrane diélectrique et la seconde couche conductrice peuvent former, dans le premier trou borgne, une électrode externe, une membrane diélectrique et une électrode interne dudit condensateur et la seconde portion conductrice et la seconde couche conductrice peuvent former, dans le second trou borgne, ledit via de connexion électrique. La seconde couche conductrice peut être sectionnée de façon à isoler l'électrode interne dudit condensateur et le via de connexion électrique.
Le procédé peut comprendre : réaliser un moyen de connexion électrique entre lesdites portions de connexion électrique et des circuits intégrés de ladite plaquette. Le procédé peut comprendre réaliser un moyen avant de connexion électrique extérieure d'au moins l'une desdites portions de connexion électrique. Le procédé peut comprendre : réaliser un moyen arrière de connexion électrique extérieure de l'électrode interne. Le procédé peut comprendre : réaliser un moyen arrière de connexion électrique entre l'électrode interne et le via de connexion électrique. Des dispositifs semi-conducteurs et leur procédé de fabrication vont maintenant être décrits à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par le dessin sur lequel : - les figures 1 à 10 représentent en coupe des étapes de fabrication d'un dispositif semi-conducteur ; - la figure 11 représente en coupe un dispositif semi-conducteur obtenu ; - la figure 12 représente en coupe une utilisation du dispositif de la figure 11 ; - et la figure 13 représente en coupe une autre utilisation du dispositif de la figure 11. En se reportant aux figures 1 à 10, on va décrire des étapes successives permettant la fabrication d'un dispositif semi-conducteur 1 illustré sur la figure 11. Comme illustré sur la figure 1, on dispose d'un substrat diélectrique 10, par exemple en silicium, sur une face avant 10a duquel sont réalisés des circuits intégrés 11 qui n'occupent pas toute sa surface. Le substrat 10 est muni au-dessus de sa face avant 10a, dans une couche diélectrique avant 12 éventuellement multi-couches, d'un réseau avant d'interconnexion électrique 13 sur un ou plusieurs niveaux métalliques reliés. Ce réseau avant d'interconnexion 13 comprend deux portions de connexion électrique 14 et 15 formées parallèlement à la face avant 10a sur des zones qui ne sont pas situées en face des circuits intégrés. On dépose sur la face arrière 10b une couche arrière 16 en un matériau diélectrique, par exemple d'oxyde de silicium (SiO2), en carbonitrure de silicium (SiCN), ou en nitrure de silicium (SiN), ou en carbone amorphe (a-C), de façon à former une couche, éventuellement sacrificielle, de gravure et/ou d'isolation capacitive. On obtient alors une plaquette 17 comprenant le substrat 10, et éventuellement la couche avant 12, muni des portions avant de connexion électrique 14 et 15. Ensuite, comme illustré sur la figure 2, on réalise par gravure par l'arrière, dans des zones exemptes de circuits intégrés 11 et en vis-à-vis des portions de connexion électrique 14 et 15, des trous borgnes espacés 18 et 19, par exemple circulaires, au travers de la couche arrière diélectrique 16, au travers du substrat 10 et dans la couche diélectrique avant 12, sans que ces trous borgnes 18 et 19 n'atteignent les portions de connexion électrique 14 et 15. Ensuite, comme illustré sur la figure 3, on procède au dépôt d'une couche arrière 20 en un matériau diélectrique, par exemple d'oxyde de silicium (SiO2), qui, de façon continue, recouvre la face arrière de la couche arrière 16 restante, ainsi que les parois et les fonds des trous borgnes 18 et 19. Ensuite, comme illustré sur la figure 4, on réalise par gravures un enlèvement des portions de la couche diélectrique 20 situées dans les fonds des trous 18 et 19 et des portions de la couche diélectrique avant 12 situées en arrière des portions de connexion électrique 14 et 15, de façon à découvrir au moins partiellement les faces arrière 14a et 15a de ces portions de connexion électrique 14 et 15. Sont alors formés des trous cylindriques borgnes 21 et 22 ouverts à l'arrière et allant jusqu'aux faces arrières 14a et 15a des portions de connexion électrique 14 et 15. Le reste de la couche diélectrique 20 forme une couche d'isolation. Ensuite, comme illustré sur la figure 5, on dépose une première couche arrière 23 en un matériau conducteur de l'électricité, par exemple en nitrure de titane (TiN), en nitrure de tantale (TaN) ou autre, qui, de façon continue, recouvre la face arrière de la couche diélectrique 20 ainsi que les parois latérales des trous 21 et 22 et, dans les fonds de ces trous 21 et 22, les faces arrière 14a et 15a des portions de connexion électrique 14 et 15, en formant des trous borgnes cylindriques 23a et 23b. Ensuite, comme illustré sur la figure 6, on procède par gravure à un enlèvement partiel de la couche conductrice 23, sur la face arrière de la couche diélectrique 20, de façon à former des portions conductrices séparées ou isolées 24 et 25 qui recouvrent respectivement les faces latérales et les fonds des trous 21 et 22 et partiellement la face arrière de la couche diélectrique 20. Ensuite, comme illustré sur la figure 7, on dépose une couche arrière 26 en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium (SiO2), en oxyde de tantale (Ta2O5), en oxyde de zirconium (ZrO2), ou autres, qui recouvre complètement les portions 24 et 25 et les parties découvertes de la couche diélectrique 20. Ensuite, comme illustré sur la figure 8, on procède à un enlèvement partiel de la couche diélectrique 26 de façon à ne laisser subsister qu'une portion diélectrique 27 recouvrant la portion conductrice 24 en formant un trou borgne 27a et ne recouvrant pas la portion conductrice 25. Ensuite, comme illustré sur la figure 9, on dépose une couche arrière 28 en un matériau conducteur de l'électricité, par exemple en nitrure de titane (TiN), en nitrure de tantale (TaN) ou autre, qui, de façon continue, recouvre la portion diélectrique 27, notamment dans son trou borgne 27a et en formant un trou borgne 28a, la portion conductrice 25, notamment dans son trou borgne 23b et en formant un trou borgne 281), ainsi que les surfaces arrière entre elles. Cette couche conductrice 28 forme une barrière à la diffusion et/ou d'accrochage. Ensuite, comme illustré sur la figure 10, on dépose une couche épaisse 29 en un matériau conducteur de l'électricité, par exemple en cuivre (Cu), en aluminium (Al) ou autres, qui recouvre la couche conductrice 28 et en même temps remplit, au moins partiellement, les trous 28a et 28b formés par cette couche conductrice 28. La couche arrière 28 et la couche épaisse 29 constituent une seconde couche conductrice. Comme on peut le voir sur la figure 11, il résulte de ce qui précède que le dispositif semi-conducteur 1 obtenu comprend, d'une part, un condensateur traversant 30 formé dans le trou initial 21 traversant la plaquette 17 et, d'autre part, un via traversant de connexion électrique 31 formé dans le trou initial 22 traversant également la plaquette 17, qui sont définis ci-après.
Le condensateur traversant 30 comprend : - une électrode externe 32 formée par la portion conductrice 24, qui comprend une partie cylindrique dans le trou 21, une partie radiale en contact sur la portion de connexion électrique 14, au fond de ce trou 21, de telle sorte que cette électrode externe 32 est reliée au réseau avant d'interconnexion électrique 13 ; - une membrane diélectrique 33 formée par la portion diélectrique intermédiaire 27, qui comprend une partie cylindrique dans la partie cylindrique de l'électrode externe 32 et une partie radiale sur la partie radiale de l'électrode externe 32, dans le trou 23a ; - et une électrode interne 34 formée par les parties 28a et 29a des couches 28 et 29 situées dans la membrane diélectrique 33, dans le trou 27a. Selon l'exemple décrit, l'électrode externe 32, la membrane diélectrique 33 et l'électrode interne 34 comprennent en outre, à l'arrière, des collerettes périphériques superposées. Le via traversant de connexion électrique 31 comprend, dans le trou initial 22, la portion conductrice 25 en contact sur la portion de connexion électrique 15 et les parties 28b et 29b des couches conductrices 28 et 29 situées dans le trou 23a de cette portion conductrice 25, de telle sorte que ce via 31 est relié à l'avant au réseau avant d'interconnexion électrique 13. Selon la réalisation représentée sur la figure 11 qui découle des étapes de fabrication décrites précédemment, les couches conductrices 28 et 29 forment une branche arrière de connexion électrique 35 telle que l'électrode interne 34 du condensateur traversant 30 et le via traversant de connexion électrique 31 sont reliés en série par l'arrière, de telle sorte que l'électrode interne 34 est reliée au réseau d'interconnexion électrique 13. Ainsi, comme illustré sur la figure 12, plusieurs variantes de liaison électrique du condensateur 30 suivantes sont possibles selon des agencements différents du réseau avant d'interconnexion électrique 13 comprenant les portions de connexion électrique 14 et 15. Selon une variante, le condensateur 30 peut être relié aux circuits intégrés 11. Pour cela, l'électrode externe 32 peut être reliée aux circuits intégrés 11 par l'intermédiaire du réseau avant d'interconnexion électrique 13 et l'électrode interne 34 peut être reliée aux circuits intégrés 11 par l'intermédiaire de la branche arrière 35, du via de connexion électrique 31 et du réseau d'interconnexion électrique 13. Selon une autre variante, le condensateur traversant 30 peut être interposé entre les circuits intégrés 11 et un dispositif électronique 36 disposé en avant du dispositif semi-conducteur 1 et relié à ce dernier par l'intermédiaire d'une pluralité d'éléments de connexion électrique extérieure 37, par exemple des billes. Pour cela, l'électrode externe 32 peut être reliée aux circuits intégrés 11 par l'intermédiaire du réseau avant d'interconnexion électrique 13 et l'électrode interne 34 peut être reliée au dispositif électronique 36 par l'intermédiaire de la branche arrière 35, du via de connexion électrique 31, du réseau avant d'interconnexion électrique 13 et d'un plot avant de connexion électrique 13a de ce réseau d'interconnexion électrique 13, sur lequel est placé un élément de connexion électrique 37a de la pluralité d'éléments de connexion électrique 37. Une liaison inverse pourrait être envisagée. Selon encore une autre variante, le condensateur traversant 30 pourrait être relié au dispositif électronique 36, sans être relié aux circuits intégrés 11. Pour cela, l'électrode externe 32 peut être reliée à un plot avant de connexion électrique 13b du réseau d'interconnexion électrique 13 sur lequel est placé un élément de connexion électrique de la pluralité d'éléments de connexion électrique 37 et l'électrode interne 34 peut être reliée, comme décrit ci-dessus, au plot avant de connexion électrique 13a sur lequel est placé l'élément de connexion électrique 37a. Selon une autre réalisation représentée sur la figure 13, l'électrode interne 34 du condensateur traversant 30 et le via traversant de connexion électrique 31 sont isolés électriquement par exemple par gravures préalables des parties arrière des couches conductrices 28 et 29, c'est-à-dire en gravant un espace d'isolation 38 dans la branche arrière 35. Plusieurs variantes de liaison du condensateur 30 suivantes sont alors possibles selon des agencements différents du réseau avant d'interconnexion électrique 13 comprenant la portion de connexion électrique 14, le via de connexion électrique 31 pouvant alors être utilisé à d'autres fins. L'électrode externe 32 du condensateur 30 peut être reliée aux circuits intégrés 11 ou au dispositif électronique 36 comme décrit précédemment. L'électrode interne 34 du condensateur traversant 30 peut être reliée à un élément arrière de connexion électrique extérieure 39a sur une partie arrière restante de la couche 29, par exemple une bille, relié à un autre dispositif électronique arrière 40 monté sur le dispositif semi-conducteur 1 par l'intermédiaire d'une pluralité d'éléments arrière de connexion électrique extérieure 39. Ainsi, le condensateur 30 peut être connecté électriquement entre d'une part les circuits intégrés 11 ou le dispositif électronique avant 36 et d'autre part le dispositif électronique arrière 40.
D'une manière générale, le dispositif semi-conducteur 1 peut comprendre plusieurs condensateurs traversants 30 et plusieurs vias traversants de connexion électrique 31, qui peuvent être fabriqués concomitamment comme décrit précédemment. Les différentes interconnexions, décrites précédemment, des différents condensateurs traversants peuvent être établies, des condensateurs traversants peuvent être branchés en série ou en parallèle, des vias de connexion électrique traversant peuvent être utilisés indépendamment des condensateurs traversants.
I1 résulte de ce qui précède qu'en particulier, il est possible de fabriquer des condensateurs traversants, dont les électrodes présentent de grandes surfaces de connexion électrique et peuvent aisément être connectées selon de nombreuses configurations, tout en atteignant des résistances faibles des connexions électriques. I1 est également possible d'atteindre des densités élevées d'intégration. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. En particulier, certaines étapes de fabrication décrites pourraient être organisées différemment et les connexions électriques pourraient se présenter selon des dispositions combinées différemment. Bien d'autres variantes de réalisation sont possibles, sans sortir du cadre défini par les revendications annexées.

Claims (18)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif semi-conducteur comprenant : une plaquette diélectrique (17) munie, au-dessus d'une face avant (10a), d'un moyen de connexion électrique avant (13) comprenant une portion de connexion électrique (14) parallèle à cette face avant, un trou borgne (21) traversant la plaquette et découvrant au moins partiellement une face arrière de la portion de connexion électrique (14) étant aménagé ; un condensateur traversant (30) formé dans le trou borgne (21) et comprenant : - une couche conductrice (24) couvrant la paroi latérale et la portion de connexion électrique (14) et formant une électrode externe (32), - une couche intermédiaire diélectrique (27) couvrant la couche conductrice ci-dessus (24) et formant une membrane diélectrique (33), - et un matériau conducteur de remplissage (28a, 29a), remplissant au moins partiellement la couche intermédiaire diélectrique (27) et formant une électrode interne (34), et un moyen de connexion électrique arrière (35 ; 39a) de l'électrode interne (34).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un moyen de connexion électrique (11) relié à ladite portion de connexion électrique (14).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un via de connexion électrique (31) traversant ladite plaquette (17).
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, comprenant un moyen de connexion électrique (13) de l'électrode externe (32) du condensateur (30) audit via traversant de connexion électrique (31).
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaquette (17) comprend un substrat diélectrique (10) sur une face avant duquel sont formés des circuits intégrés (11).
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, comprenant un moyen de connexion électrique (13) reliant ladite portion de connexion électrique (14) et les circuits intégrés (11).
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un moyen de connexion électrique externe (13a, 37a) pour relier à un dispositif électronique (36) ladite portion de connexion électrique (14) reliée à l'électrode externe (32) du condensateur (30).
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un moyen de connexion électrique externe (39a) pour relier à un dispositif électronique (40) l'électrode interne (34) du condensateur (30).
  9. 9. Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur comprenant une plaquette munie, au-dessus d'une face avant (10a), d'un moyen de connexion électrique avant (13) comprenant une portion de connexion électrique (14) et comprenant un condensateur (30), comprenant : réaliser un trou borgne (21) au travers de la plaquette (17) et jusqu'à ladite portion de connexion électrique (14) ; former successivement, dans le trou borgne (21), une première portion de couche conductrice (24) formant une électrode externe (32) du condensateur (30) reliée à ladite portion de connexion électrique (14), une couche diélectrique (27) formant une membrane diélectrique (33) du condensateur (30) et une seconde portion couche conductrice (28a, 29a) formant une électrode interne (34) du condensateur (30) ; et réaliser un moyen de connexion électrique arrière (35 ; 39) de l'électrode interne (34).
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, comprenant : réaliser un moyen de connexion électrique (13) entre ladite portion de connexion électrique (14) et des circuits intégrés (11) de ladite plaquette (10).
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, comprenant : réaliser un moyen avant de connexion électrique extérieure (13, 13a) de ladite portion de connexion électrique (14).
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, comprenant : réaliser un moyen arrière de connexion électrique extérieure (39a) de l'électrode interne (34).
  13. 13. Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur comprenant une plaquette munie, au-dessus d'une face avant (10a), d'un moyen de connexion électrique avant (13) comprenant deux portions de connexion électrique (14, 15) et comprenant un condensateur (30) et un via de connexion électrique (31), comprenant : réaliser deux trous borgnes (21, 22) au travers de la plaquette (17) et jusqu'auxdites portions de connexion électrique (14, 15) ; déposer une première couche conductrice (23) et enlever une partie de cette couche conductrice de façon à former une première portion conductrice (24) dans le premier trou borgne (21) et une seconde portion conductrice (25) dans le second trou borgne (22) ; déposer une couche diélectrique (26) et enlever une partie de cette couche diélectrique de façon à former une membrane diélectrique (27) dans le trou (23a) de la première portion conductrice (24) ; et déposer une seconde couche conductrice (28, 29) dans le trou (27a) de la membrane diélectrique (27) et dans le trou (231)) de la seconde portion conductrice (25) ; de telle sorte que la première portion conductrice (24), la membrane diélectrique (27) et la seconde couche conductrice (28, 29) forment, dans le premier trou borgne (21), une électrode externe (32), une membrane diélectrique (33) et une électrode interne (34) dudit condensateur (30) et que la seconde portion conductrice (25) et la seconde couche conductrice (28, 29) forment, dans le second trou borgne (22), ledit via de connexion électrique (31).
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel la seconde couche conductrice (28, 29) est sectionnée de façon à isoler l'électrode interne (34) dudit condensateur (30) et le via de connexion électrique (31).
  15. 15. Procédé selon l'une des revendications 13 et 14, comprenant : réaliser un moyen de connexion électrique (13) entrelesdites portions de connexion électrique (14, 15) à des circuits intégrés (11) de ladite plaquette (10).
  16. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, comprenant : réaliser un moyen avant de connexion électrique extérieure (13, 13a) d'au moins l'une desdites portions de connexion électrique (14, 15).
  17. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, comprenant : réaliser un moyen arrière de connexion électrique extérieure (39a) de l'électrode interne (34).
  18. 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, comprenant : réaliser un moyen arrière de connexion électrique extérieure (35) entre l'électrode interne (34) et le via de connexion électrique (31).
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