WO2013073082A1 - 拡張型半導体チップ及び半導体装置 - Google Patents

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electrode
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semiconductor
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鉄平 岩瀬
萩原 清己
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パナソニック株式会社
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    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/35Mechanical effects
    • H01L2924/351Thermal stress

Definitions

  • the present invention relates to an expandable semiconductor chip and a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having an expandable semiconductor chip to be face-down mounted.
  • SoC system-on-chip
  • SiP system-in-package
  • a transistor included in the logic circuit chip are increasingly miniaturized.
  • the electrical characteristics of a transistor are easily affected by thermal stress generated during packaging of a semiconductor chip.
  • a bonding material such as a solder material is melted and then solidified.
  • the source / drain current of the transistor largely fluctuates due to the generated residual stress on the element formation surface of the semiconductor chip.
  • a low dielectric constant material called a low-k material is used corresponding to the miniaturization of the transistor.
  • the low-k material generally has low mechanical strength, and the stress on the element formation surface of the semiconductor chip during packaging causes a crack in the insulating layer made of the low-k material, or with other adjacent wiring materials. Separation occurs at or near the interface.
  • the present invention solves the above-described problems, and can prevent the thermal stress generated during packaging of the semiconductor chip from affecting the electrical characteristics of the active elements included in the semiconductor chip and the physical damage of the constituent materials.
  • the purpose is to do.
  • an extension portion formed outwardly from a side surface of a semiconductor chip is provided on at least one side surface of at least one semiconductor chip, and an external electrical connection is provided on the extension portion.
  • the electrode is formed so as to have a general connection.
  • a first semiconductor device includes a first semiconductor chip having a first electrode formed on a surface thereof, a second semiconductor chip, and at least one side surface of the second semiconductor chip.
  • An extended semiconductor chip having an extended portion formed outward and having a second electrode formed on a surface thereof.
  • the first semiconductor chip and the extended semiconductor chip include a first electrode and a second semiconductor chip.
  • the first electrode and the second electrode are connected to each other with the electrode forming surfaces facing each other, and the second electrode connected to the first electrode among the second electrodes in the extended semiconductor chip. Is formed only on the extension.
  • the second electrode connected to the first electrode is formed only on the extended portion. Therefore, there is no second electrode that is electrically connected to the first semiconductor chip on the element formation surface of the second semiconductor chip constituting the extended semiconductor chip. Therefore, it is possible to avoid the influence of thermal stress that occurs during packaging.
  • the second semiconductor chip is a plurality of semiconductor chips, and the extended portion of the extended semiconductor chip is formed between the side surfaces adjacent to each other in the second semiconductor chip. Also good.
  • the extended portion of the extended semiconductor chip may be formed around the second semiconductor chip.
  • the extended semiconductor chip includes a second electrode formed on the surface of the extended portion, and a third electrode formed on the element formation surface of the second semiconductor chip. A wiring connecting the two may be formed.
  • a through hole is formed in the extended portion in a region facing the first semiconductor chip, and a through hole is provided between the first semiconductor chip and the extended semiconductor chip.
  • the sealing resin material may be filled including the holes.
  • a second semiconductor device includes a wiring board having a first electrode formed on a surface thereof, a semiconductor chip and an extended portion formed outward from at least one side surface of the semiconductor chip, And an extended semiconductor chip on which the second electrode is formed, and the wiring substrate and the extended semiconductor chip are arranged so that the formation surfaces of the first electrode and the second electrode are opposed to each other.
  • the second electrode connected to the second electrode and connected to the first electrode among the second electrodes in the extended semiconductor chip is formed only on the extended portion.
  • the second electrode connected to the first electrode is formed only on the extended portion. Therefore, there is no second electrode that is electrically connected to the wiring board on the element formation surface of the second semiconductor chip constituting the expansion type semiconductor chip. Therefore, it is possible to avoid the influence of thermal stress that occurs during packaging.
  • the semiconductor chip may be a plurality of semiconductor chips, and the extended portion of the extended semiconductor chip may be formed between adjacent side surfaces of the semiconductor chip.
  • An extended semiconductor chip according to the present invention is formed on a plurality of semiconductor chips, an extended portion formed between adjacent side surfaces of the semiconductor chip, and the extended portion, and is electrically connected to the outside. And an electrode.
  • the extended semiconductor chip includes an electrode formed on the extended portion and electrically connected to the outside. For this reason, there is no electrode for electrical connection with the outside on the element formation surface of the semiconductor chip. Therefore, it is possible to avoid the influence of thermal stress that occurs during packaging.
  • the influence of the thermal stress generated during packaging of the semiconductor chip on the electrical characteristics of the active elements included in the semiconductor chip and the physical properties of the constituent materials Damage can be prevented.
  • FIG. 1 (a) to 1 (c) show an expandable semiconductor chip and a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) is a perspective view
  • FIG. 1 (b) is a plan view
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line Ic-Ic in FIG. 2A to 2C show a semiconductor device according to a comparative example
  • FIG. 2A is a perspective view
  • FIG. 2B is a plan view
  • FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line IIc-IIc in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing a modified example of the extended semiconductor chip and the semiconductor device according to the first modified example of the first embodiment.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line Ic-Ic in FIG. 2A to 2C show a semiconductor device according to a comparative example
  • FIG. 2A is a perspective view
  • FIG. 2B is a plan view
  • FIG. 4 is a plan view showing a modified example of the extended semiconductor chip and the semiconductor device according to the second modified example of the first embodiment.
  • 5A and 5B show a semiconductor device according to a third modification of the first embodiment
  • FIG. 5A is a plan view
  • FIG. 5B is a plan view of FIG. Is a cross-sectional view taken along line Vb-Vb.
  • 6A and 6B show an extended semiconductor chip and a semiconductor device according to a fourth modification of the first embodiment
  • FIG. 6A is a plan view
  • FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VIb-VIb in FIG. 7 (a) to 7 (c) show an expandable semiconductor chip and a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 (a) is a perspective view
  • FIG. 7 (b) is a plan view
  • FIG. 7C is a cross-sectional view taken along the line VIIc-VIIc in FIG. 7B.
  • the semiconductor device 1 includes, for example, a first semiconductor chip having silicon (Si) as a base material, a transistor, and a multilayer wiring layer. 2 and an extended semiconductor chip 3 that holds the first semiconductor chip 2 on the upper surface (element formation surface) and includes a plurality of semiconductor chips 31 and 32.
  • a low-k material is used for the multilayer wiring layer in each of the semiconductor chips 2, 31 and 32 as an insulating layer.
  • the first semiconductor chip 2 is a surface facing the expandable semiconductor chip 3 and the element forming surface is made of a metal such as copper (Cu), aluminum (Al), or nickel (Ni), and has a plurality of external connections.
  • a first electrode (pad) 21 is formed.
  • the extended semiconductor chip 3 includes, for example, a second semiconductor chip 31 and a third semiconductor chip 32 which are made of silicon (Si) as a base material, and each has a transistor and a multilayer wiring layer formed thereon. Between the side surfaces adjacent to each other in the second semiconductor chip 31 and the third semiconductor chip 32, a resin expansion portion 33 filled with an epoxy resin material or the like is formed. By the resin expansion portion 33, the second semiconductor chip 31 and the third semiconductor chip 32 are integrally formed.
  • the resin expansion part 33 does not necessarily need to be formed with a resin material, and may be fixed with an adhesive with an insulator such as a ceramic material interposed.
  • a plurality of first chip electrodes 311 made of a metal such as Cu, Al, or Ni are formed on the second semiconductor chip 31.
  • a plurality of second chip electrodes 321 made of a metal such as Cu, Al, or Ni are formed on the third semiconductor chip 32.
  • a rewiring layer 34 made of an insulator such as polyimide is formed on the upper surfaces of the second semiconductor chip 31, the third semiconductor chip 32, and the resin extension portion 33 that are integrally formed.
  • a plurality of wirings 341 made of Cu, Al, or the like are formed inside the rewiring layer 34.
  • a plurality of second electrodes (pads) 35 made of a metal such as Cu, Al, or Ni and used for external connection are formed on the rewiring layer 34.
  • One end of each wiring 341 is electrically connected to one of the first chip electrode 311 and the second chip electrode 321, and the other end is electrically connected to one of the second electrodes 35 on the rewiring layer 34. It is connected.
  • the plurality of first electrodes 21 in the first semiconductor chip 2 and the plurality of second electrodes 35 in the extended semiconductor chip 3 are arranged to face each other.
  • the first electrode 21 and the second electrode 35 facing each other are electrically connected with a metal protrusion (bump) 4 made of a solder material or gold interposed therebetween.
  • bump metal protrusion
  • all of the plurality of second electrodes 35 formed on the upper surface of the extended semiconductor chip 3 are formed immediately above the resin extended portion 33. Note that, in a region on the rewiring layer 34 that does not face the first semiconductor chip 2, for example, an inspection electrode (not shown) or the like is formed in a region above the element formation surface of the semiconductor chips 31 and 32. It does not matter.
  • the plurality of first electrodes 21 has an arrangement number in the Y direction at a substantially central portion of the first semiconductor chip 2 rather than the arrangement number in the X direction. It is arranged in a large matrix. Accordingly, the resin expansion portion 33 of the expandable semiconductor chip 3 is arranged so that each second electrode 35 of the expandable semiconductor chip 3 can be disposed corresponding to the disposition of each first electrode 21 of the first semiconductor chip 2.
  • the second semiconductor chip 31 and the third semiconductor chip 32 are formed such that the length in the Y direction is longer than the length in the X direction.
  • the center portion of the chip indicates the relative positional relationship of the arrangement region of the first electrode 21 with respect to the outer shape of the first semiconductor chip 2. Specifically, when the distance from the center of the semiconductor chip to one corner is D, it is defined as a range of D / 2 or less from the center of the semiconductor chip.
  • the arrangement of the first electrodes 21 is schematically shown in 2 rows and 10 columns, but more arrangements are conceivable in an actual semiconductor device. Specifically, there are about 10 rows in the X direction and about 100 columns in the Y direction. Further, an arrangement in which the interval between the first electrodes 21 is about 40 ⁇ m to 50 ⁇ m is assumed.
  • the semiconductor device 5 shown in FIG. 2 is used as a comparative example.
  • symbol is attached
  • the second semiconductor chip 31 constituting the semiconductor light emitting device 5 according to the comparative example shown in FIG. 2 is a single chip and does not have a resin extension portion. Accordingly, the first chip electrode 311 of the second semiconductor chip 31 and the first electrode 21 of the first semiconductor chip 2 are directly connected by the metal protrusion 4.
  • solder connection method which is a typical method of CoC connection
  • semiconductor chips having solder materials previously placed on electrodes are bonded to face each other, heated to melt the solder material, and then the solder material is cooled. Connect by solidifying.
  • Si silicon
  • the molten solder material is solidified and contracted during cooling. It cannot absorb deformation caused by stress.
  • stress remains on each element formation surface of each semiconductor chip 2, 31.
  • the transistor formed on the element formation surface is easily affected by the stress, and the source / drain current greatly varies depending on the residual stress.
  • the insulating layer made of a low-k material formed on the element formation surface may be cracked or peeled off at or near the interface due to the influence of residual stress.
  • the semiconductor device 1 according to the first embodiment is in an area where the extended semiconductor chip 3 is joined to the first semiconductor chip 2 via the metal protrusion 4. Only the resin expansion portion 33 having a low rigidity and a linear expansion coefficient that is relatively close to the metal protrusion 4 such as a solder material is formed. For this reason, the residual stress in the element formation surface of the first semiconductor chip 2 is reduced. Further, since the metal protrusions 4 themselves do not exist on the element formation surfaces of the second semiconductor chip 31 and the third semiconductor chip 32 constituting the extended semiconductor chip 3, the influence of the residual stress due to the metal protrusions 4 is avoided. be able to.
  • a configuration in which the first semiconductor chip 2 is mounted on the extended semiconductor chip 3 including a plurality of semiconductor chips is, for example,
  • the pads of the second semiconductor chip 31 and the third semiconductor chip 32 are also drawn out on the resin extension portion 33 even when the pads of the first semiconductor chip 2 are biased to a specific portion of the element formation surface.
  • the pads can be arranged so as to correspond to the pads of the first semiconductor chip 2.
  • the first semiconductor chip 2 is a memory chip formed by concentrating pads in the central portion of the element formation surface, the pads of a plurality of semiconductor chips are gathered on the resin extension portion 33, The pad of the memory chip can be mounted facing the pad of the resin extension portion 33.
  • the position where the first electrode 21 of the first semiconductor chip 2 and the second electrode 35 of the expandable semiconductor chip 3 are connected to each other is substantially the same as that of the first semiconductor chip 2.
  • the expandable semiconductor chip 3 is composed of two semiconductor chips 31 and 32, and the resin expansion portion 33 is formed between the semiconductor chips 31 and 32 so as to be long in the Y direction.
  • the planar shape of the resin expansion portion 33 is not limited to the shape of FIG. 1B, and can be variously changed according to the arrangement position of the first electrode 21 of the first semiconductor chip 2.
  • FIG. 3 shows a planar configuration of a semiconductor device according to a first modification of the first embodiment.
  • the plurality of first electrodes 21 of the first semiconductor chip 2 are arranged in a matrix shape that is long in the Y direction at substantially the center of the first semiconductor chip 2. And the interval in the X direction is relatively large.
  • the expandable semiconductor chip 3 is constituted by three chips, a second semiconductor chip 31, a third semiconductor chip 32, and a fourth semiconductor chip 36. Therefore, for example, the fourth semiconductor chip 36 is disposed between the second semiconductor chip 31 and the third semiconductor chip 32.
  • resin expansion portions 33 are integrally formed between the second semiconductor chip 31 and the fourth semiconductor chip 36 and between the third semiconductor chip 32 and the fourth semiconductor chip 36, respectively.
  • a second electrode (not shown) of the extended semiconductor chip 3 is formed so that the first electrodes 21 face each other.
  • FIG. 4 shows a planar configuration of a semiconductor device according to the second modification of the first embodiment.
  • the plurality of first electrodes 21 of the first semiconductor chip 2 are concentrated in a substantially central portion of the first semiconductor chip 2 in a planar cross shape. Has been placed.
  • the expandable semiconductor chip 3 is divided into four semiconductor chips 31, a third semiconductor chip 32, a fourth semiconductor chip 36, and a fifth semiconductor chip 37. Consists of chips. Therefore, for example, the semiconductor chips 31, 32, 36, and 37 are arranged in two rows and two columns, and the resin expansion portion 33 is arranged between the opposing side surfaces.
  • the resin extended portion 33 is integrally formed between the semiconductor chip 36 and the second semiconductor chip 31 so that the first electrodes 21 face each other on the resin extended portion 33.
  • Second electrodes (not shown) are respectively formed.
  • FIG. 5A and FIG. 5B show a planar configuration and a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to a third modification of the first embodiment.
  • the plurality of first electrodes 21 of the first semiconductor chip 2 are in the vicinity of two opposing side portions of the first semiconductor chip 2. Are arranged in a row.
  • the extended semiconductor chip 3 is formed only by the second semiconductor chip 31.
  • a resin extension portion 33 is provided on all four side surfaces of the second semiconductor chip 31, that is, around the second semiconductor chip 31, and is formed integrally with the second semiconductor chip 31.
  • the second electrode 35 of the extended semiconductor chip 3 is formed on the resin extended portion 33 so that the first electrodes 21 face each other.
  • FIGS. 6A and 6B show a planar configuration and a cross-sectional configuration of a semiconductor device according to a fourth modification of the first embodiment.
  • the semiconductor device 1 according to the fourth modification is, as an example, similar to the semiconductor device 1 according to the second modification shown in FIG.
  • the semiconductor chip 3 is composed of four semiconductor chips 31, 32, 36 and 37.
  • the difference between the fourth modification and the second modification is that the resin extension portion 33 is formed in a region facing the first semiconductor chip 2 and in which the metal protrusion 4 is not formed on the resin extension portion 33 constituting the expandable semiconductor chip 3.
  • the through-hole 33a which penetrates is provided.
  • the conventional general method of injecting the underfill material 6 from the side surface of the first semiconductor chip 2 has insufficient filling of the underfill material 6. Become. For this reason, there exists a possibility that a void may generate
  • the underfill material 6 is directly applied to the position closer to the metal protrusion 4 from the back surface of the extended semiconductor chip 3 through the plurality of through holes 33 a provided in advance. Inject. Thereby, the filling property of the underfill material 6 can be improved in the peripheral region of each metal protrusion 4.
  • the number of through holes 33a provided in the resin extension 33 and the rewiring layer 34 may be appropriately adjusted according to the size and number of the semiconductor chips 2 and 3.
  • the fourth modification in which the through hole 33a is provided can also be applied to the semiconductor device 1 according to the first embodiment, the first modification, and the third modification.
  • the semiconductor device 7 includes, for example, a first semiconductor that uses silicon (Si) as a base material and includes a transistor and a multilayer wiring layer, respectively.
  • the expansion semiconductor chip 8 includes a chip 81 and a second semiconductor chip 82, and a resin substrate (wiring substrate) 9 that holds the expansion semiconductor chip 8 on the upper surface and is made of an epoxy resin material or the like as a base material.
  • a low-k material is used as an insulating layer for the multilayer wiring layer in each of the semiconductor chips 81 and 82.
  • a resin extended portion 83 made of an epoxy resin material or the like is filled.
  • the resin extension 83 the first semiconductor chip 81 and the second semiconductor chip 82 are integrally formed.
  • a plurality of first chip electrodes 811 made of a metal such as copper (Cu), aluminum (Al), or nickel (Ni) are formed on the surface of the first semiconductor chip 81 facing the resin substrate 9 and on the element formation surface. ing.
  • a plurality of second chip electrodes 821 made of a metal such as Cu, Al, or Ni are formed on the element formation surface of the second semiconductor chip 82.
  • a rewiring layer 84 made of an insulator such as polyimide is formed on the first semiconductor chip 81, the second semiconductor chip 82, and the resin extension portion 83 that are integrally molded. In the rewiring layer 84, a plurality of wirings 841 made of Cu, Al, or the like are formed.
  • first electrodes (pads) 85 made of a metal such as Cu, Al or Ni and used for external connection are formed.
  • One end of each wiring 841 is electrically connected to one of the first chip electrode 811 and the second chip electrode 821, and the other end is electrically connected to one of the first electrodes 85 on the rewiring layer 84. It is connected.
  • a plurality of second electrodes (pads) 91 are formed on the resin substrate 9 at positions facing the first electrodes 85 of the expandable semiconductor chip 8.
  • the first electrode 85 and the second electrode 91 facing each other are electrically connected with a metal protrusion (bump) 4 made of a solder material or gold interposed therebetween.
  • bump metal protrusion
  • the plurality of first electrodes 85 formed on the element forming surface side of the extended semiconductor chip 8 are all formed immediately above the resin extended portion 83.
  • an inspection electrode (not shown) or the like is provided above the element formation surface of the semiconductor chips 31 and 32. It may be formed in the region.
  • the plurality of second electrodes 91 are arranged in the center of the resin substrate 9 in a matrix in which the number of arrangement in the Y direction is larger than the number of arrangement in the X direction.
  • the resin expansion portion 83 of the expandable semiconductor chip 8 is configured so that the first electrodes 85 of the expandable semiconductor chip 8 can be respectively disposed corresponding to the disposition of the second electrodes 91 of the resin substrate 9.
  • the semiconductor chip 81 and the second semiconductor chip 82 are formed such that the length in the Y direction is longer than the length in the X direction.
  • the arrangement of the second electrodes 91 is schematically shown in 2 rows and 10 columns, but more arrangements are conceivable in an actual semiconductor device. Specifically, there are about 10 rows in the X direction and about 100 columns in the Y direction. Further, an arrangement in which the interval between the first electrodes 21 is about 40 ⁇ m to 50 ⁇ m is assumed.
  • planar shape of the resin expansion portion 83 is not limited to the shape of FIG. 7B, and can be variously changed according to the arrangement position of the second electrode 91 of the resin substrate 9.
  • the metal protrusions 4 themselves called bumps do not exist on the element formation surfaces of the first semiconductor chip 81 and the second semiconductor chip 82 constituting the extended semiconductor chip 8.
  • the effects of the shrinkage of the resin substrate 9, the solidification of the metal protrusions 4 and the cooling shrinkage are not transmitted to the element forming surface. Therefore, the influence of the residual stress of the resin substrate 9 and the metal protrusion 4 can be avoided.
  • the expandable semiconductor chip and the semiconductor device according to the present invention can prevent the influence of the thermal stress generated during the packaging of the semiconductor chip on the electrical characteristics of the active element and the physical damage of the constituent material, and are particularly face-down mounted. This is useful for a semiconductor device having an extended semiconductor chip.

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Abstract

 半導体装置(1)は、表面に第1電極(21)が形成された第1半導体チップ(2)と、第2半導体チップ(31)及び該第2半導体チップの少なくとも1つの側面から外方に形成された樹脂拡張部(33)を有し、表面に第2電極(35)が形成された拡張型半導体チップ(3)とを備えている。第1半導体チップと拡張型半導体チップとは、第1電極及び第2の電極の形成面同士を対向させて、第1電極と第2電極とを互いに接続している。拡張型半導体チップにおける第2電極のうち、第1電極と接続された第2電極は、樹脂拡張部の上にのみ形成されている。

Description

拡張型半導体チップ及び半導体装置
 本発明は、拡張型半導体チップ及び半導体装置に関し、特にフェイスダウン実装される拡張型半導体チップを有する半導体装置に関する。
 デジタルテレビ及びデジタルレコーダ等のシステムにおいては、高機能化に伴い、扱うデータ量が飛躍的に増加している。このため、システムに搭載される半導体メモリ装置においては、容量の増加と高いデータ転送レートとが要求されている。
 このような半導体メモリ装置を搭載する半導体装置として、メモリコントローラを実装した論理回路とメモリ回路とを1つのチップに集積するシステム・オン・チップ(System on Chip:SoC)と、メモリコントローラを実装した論理回路チップとメモリ回路チップとを積層して1つのパッケージに収容するシステム・イン・パッケージ(System in Package:SiP)とがある。
 現在は、製造コストが比較的に低いSiPを用いたシステムが増える傾向にある。SiP構造を採る半導体装置において、積層される論理回路チップとメモリ回路チップとの間を電気的に接続する方法には、論理回路チップの素子形成面とメモリチップの素子形成面とを対向させて、はんだ材等からなる金属突起(バンプ)を介してそれぞれの電極同士を直接に接続するチップ・オン・チップ(Chip on Chip:CoC)技術を用いる方法がある。これにより、データ転送レートの向上を図っている(例えば、特許文献1を参照。)。
特開2010-141080号公報
 半導体装置の小型化が進むに従い、論理回路チップに含まれる能動素子(特にトランジスタ)は、ますます微細化されている。トランジスタの電気的特性は、半導体チップのパッケージング時に発生する熱応力による影響を受けやすく、例えば、半導体チップをCoC接続する場合に、はんだ材等の接合材が溶融し、その後、凝固する際に発生する半導体チップの素子形成面の残留応力によって、トランジスタのソースドレイン電流が大きく変動する。また、半導体チップの多層配線層に用いられる絶縁材料には、トランジスタの微細化に対応して、Low-k材料と呼ばれる低誘電率材料が用いられている。Low-k材料は、一般に機械的強度が低く、パッケージング時における半導体チップの素子形成面への応力により、Low-k材料からなる絶縁層にクラックが生じたり、近接する他の配線材料との界面又はその近傍において剥離が発生したりする。
 本発明は、前記の問題を解決し、半導体チップのパッケージング時に発生する熱応力による該半導体チップに含まれる能動素子等の電気的特性への影響及び構成材料の物理的損傷を防止できるようにすることを目的とする。
 前記の目的を達成するため、本発明は、少なくとも1つの半導体チップにおける少なくとも1つの側面上に半導体チップの側面から外方に形成された拡張部を設け、該拡張部の上に外部との電気的な接続をとる電極を形成する構成とする。
 具体的に、本発明に係る第1の半導体装置は、表面に第1の電極が形成された第1の半導体チップと、第2の半導体チップ及び該第2の半導体チップの少なくとも1つの側面から外方に形成された拡張部を有し、表面に第2の電極が形成された拡張型半導体チップとを備え、第1の半導体チップと拡張型半導体チップとは、第1の電極及び第2の電極の形成面同士を対向させて、第1の電極と第2の電極とを互いに接続し、拡張型半導体チップにおける第2の電極のうち、第1の電極と接続された第2の電極は、拡張部の上にのみ形成されている。
 本発明の第1の半導体装置によると、拡張型半導体チップにおける第2の電極のうち、第1の電極と接続された第2の電極は、拡張部の上にのみ形成されている。このため、拡張型半導体チップを構成する第2の半導体チップの素子形成面上には、第1の半導体チップと電気的な接続をとる第2の電極が存在しない。従って、パッケージング時に発生する熱応力の影響を回避することができる。
 本発明の第1の半導体装置において、第2の半導体チップは複数の半導体チップであり、拡張型半導体チップの拡張部は、第2の半導体チップにおける互いに隣接する側面同士の間に形成されていてもよい。
 また、本発明の第1の半導体装置において、拡張型半導体チップの拡張部は、第2の半導体チップの周囲に形成されていてもよい。
 本発明の第1の半導体装置において、拡張型半導体チップには、拡張部の表面に形成された第2の電極と第2の半導体チップの素子形成面の上に形成された第3の電極とを接続する配線が形成されていてもよい。
 本発明の第1の半導体装置において、拡張部には、第1の半導体チップと対向する領域に貫通孔が形成されており、第1の半導体チップと拡張型半導体チップとの間には、貫通孔を含め、封止用樹脂材が充填されていてもよい。
 本発明に係る第2の半導体装置は、表面に第1の電極が形成された配線基板と、半導体チップ及び該半導体チップの少なくとも1つの側面から外方に形成された拡張部を有し、表面に第2の電極が形成された拡張型半導体チップとを備え、配線基板と拡張型半導体チップとは、第1の電極及び第2の電極の形成面同士を対向させて、第1の電極と第2の電極とを互いに接続し、拡張型半導体チップにおける第2の電極のうち、第1の電極と接続された第2の電極は、拡張部の上にのみ形成されている。
 本発明の第2の半導体装置によると、拡張型半導体チップにおける第2の電極のうち、第1の電極と接続された第2の電極は、拡張部の上にのみ形成されている。このため、拡張型半導体チップを構成する第2の半導体チップの素子形成面上には、配線基板と電気的な接続をとる第2の電極が存在しない。従って、パッケージング時に発生する熱応力の影響を回避することができる。
 本発明の第2の半導体装置において、半導体チップは複数の半導体チップであり、拡張型半導体チップの拡張部は、半導体チップにおける互いに隣接する側面同士の間に形成されていてもよい。
 本発明に係る拡張型半導体チップは、複数の半導体チップと、半導体チップにおける互いに隣接する側面同士の間に形成された拡張部と、拡張部の上に形成され、外部と電気的な接続をとる電極とを備えている。
 本発明の拡張型半導体チップによると、拡張部の上に形成され、外部と電気的な接続をとる電極を備えている。このため、半導体チップの素子形成面上には、外部との電気的な接続をとる電極が存在しない。従って、パッケージング時に発生する熱応力の影響を回避することができる。
 本発明に係る拡張型半導体チップ及びそれを用いた半導体装置によると、半導体チップのパッケージング時に発生する熱応力による該半導体チップに含まれる能動素子等の電気的特性への影響及び構成材料の物理的損傷を防止することができる。
図1(a)~図1(c)は本発明の第1の実施形態に係る拡張型半導体チップ及び半導体装置を示し、図1(a)は斜視図であり、図1(b)は平面図であり、図1(c)は図1(b)のIc-Ic線における断面図である。 図2(a)~図2(c)は比較例に係る半導体装置を示し、図2(a)は斜視図であり、図2(b)は平面図であり、図2(c)は図2(b)のIIc-IIc線における断面図である。 図3は第1の実施形態の第1変形例に係る拡張型半導体チップ及び半導体装置の変形例を示す平面図である。 図4は第1の実施形態の第2変形例に係る拡張型半導体チップ及び半導体装置の変形例を示す平面図である。 図5(a)及び図5(b)は第1の実施形態の第3変形例に係る半導体装置を示し、図5(a)は平面図であり、図5(b)は図5(a)のVb-Vb線における断面図である。 図6(a)及び図6(b)は第1の実施形態の第4変形例に係る拡張型半導体チップ及び半導体装置を示し、図6(a)は平面図であり、図6(b)は図6(a)のVIb-VIb線における断面図である。 図7(a)~図7(c)は本発明の第2の実施形態に係る拡張型半導体チップ及び半導体装置を示し、図7(a)は斜視図であり、図7(b)は平面図であり、図7(c)は図7(b)のVIIc-VIIc線における断面図である。
 (第1の実施形態)
 本発明の第1の実施形態について図1(a)~図1(c)を参照しながら説明する。
 図1(a)~図1(c)に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置1は、例えば、シリコン(Si)を基材とし、トランジスタ及び多層配線層を有する第1半導体チップ2と、上面(素子形成面)に第1半導体チップ2を保持し、且つ複数の半導体チップ31、32を含む拡張型半導体チップ3とから構成されている。各半導体チップ2、31及び32における多層配線層には、絶縁層として、例えばLow-k材料が用いられている。
 第1半導体チップ2における拡張型半導体チップ3との対向面であり且つ素子形成面には、銅(Cu)、アルミニウム(Al)又はニッケル(Ni)等の金属からなり、外部接続用の複数の第1電極(パッド)21が形成されている。
 拡張型半導体チップ3は、例えばシリコン(Si)を基材とし、それぞれにトランジスタ及び多層配線層が形成された第2半導体チップ31及び第3半導体チップ32とを有している。第2半導体チップ31及び第3半導体チップ32における互いに隣接する側面同士の間には、エポキシ樹脂材等が充填されてなる樹脂拡張部33が形成されている。この樹脂拡張部33により、第2半導体チップ31及び第3半導体チップ32は一体に形成されている。なお、樹脂拡張部33は、必ずしも樹脂材により形成される必要はなく、セラミック材等の絶縁体を介在させて接着材により固着してもよい。
 第2半導体チップ31の上には、Cu、Al又はNi等の金属からなる複数の第1チップ電極311が形成されている。同様に、第3半導体チップ32の上には、Cu、Al又はNi等の金属からなる複数の第2チップ電極321が形成されている。一体に成形された第2半導体チップ31、第3半導体チップ32及び樹脂拡張部33の上面には、ポリイミド等の絶縁体からなる再配線層34が形成されている。再配線層34の内部には、Cu又はAl等からなる複数の配線341が形成されている。また、再配線層34の上には、Cu、Al又はNi等の金属からなり、外部接続用の複数の第2電極(パッド)35が形成されている。各配線341の一端は、第1チップ電極311及び第2チップ電極321のいずれかと電気的に接続され、また、その他端は、再配線層34の上の第2電極35のいずれかと電気的に接続されている。
 第1半導体チップ2における複数の第1電極21と、拡張型半導体チップ3における複数の第2電極35とは、互いに対向して配置されている。互いに対向する第1電極21と第2電極35とは、それぞれの間にはんだ材又は金等からなる金属突起(バンプ)4を介在させて電気的に接続されている。 
 ここで、第1の実施形態の特徴として、拡張型半導体チップ3の上面に形成された複数の第2電極35は、そのすべてが樹脂拡張部33の直上に形成されている。なお、再配線層34の上の第1半導体チップ2と対向しない領域には、例えば検査用の電極(図示せず)等が、半導体チップ31、32の素子形成面の上側の領域に形成されていても構わない。
 図1(b)に示すように、第1の実施形態においては、複数の第1電極21は、第1半導体チップ2のほぼ中央部に、X方向の配列数よりもY方向の配列数が大きい行列状に配置されている。従って、第1半導体チップ2の各第1電極21の配置に対応して、拡張型半導体チップ3の各第2電極35がそれぞれ配置できるように、拡張型半導体チップ3の樹脂拡張部33は、第2半導体チップ31と第3半導体チップ32との間に、Y方向の長さがX方向の長さよりも長くなるように形成されている。
 本願明細書において、チップの中央部とは、第1半導体チップ2の外形に対する第1電極21の配置領域の相対的な位置関係を示している。具体的には、半導体チップの中心から一角部までの距離をDとした場合に、半導体チップの中心からD/2以下の範囲と定義する。
 図1(a)及び図1(b)においては、第1電極21の配列を、模式的に2行10列で示したが、実際の半導体装置においては、より多くの配置が考えられる。具体的には、X方向に約10行程度で、且つY方向に約100列程度である。また、第1電極21同士の間隔は40μm~50μm程度とする配列が想定される。
 以下、前記のように構成された半導体装置1によって、第1半導体チップ2と拡張型半導体チップ3とをパッケージングする際に発生する熱応力による各半導体チップのトランジスタの電気的特性への影響及び各半導体チップ2、3の多層配線層に含まれるLow-k材料からなる絶縁層に生じるクラック又は剥離等の物理的損傷を回避できる理由を説明する。ここでは、図2に示す半導体装置5を比較例とする。なお、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。図2に示す比較例に係る半導体発光装置5を構成する第2半導体チップ31は、単体のチップであり、樹脂拡張部を有していない。従って、第2半導体チップ31の第1チップ電極311と、第1半導体チップ2の第1電極21とは、金属突起4によって直接に接続されている。
 CoC接続の代表的な工法であるはんだ接続法においては、あらかじめ電極上にはんだ材を載置した半導体チップ同士を対向させて接着し、加熱によりはんだ材を溶融させ、その後、はんだ材を冷却して固化させることにより接続する。図2に示す比較例の場合は、溶融したはんだ材の凝固及び冷却時の収縮に対し、各半導体チップ2、31は剛性が高く線膨張係数が低いシリコン(Si)を基材としているため、応力による変形を吸収できない。これにより、各半導体チップ2、31の各素子形成面に応力が残留することになる。素子形成面に形成されているトランジスタは、その応力の影響を受けやすく、残留応力によってソースドレイン電流が大きく変動する。また、素子形成面に形成されたLow-k材料からなる絶縁層は、残留応力の影響により、クラックが生じたり、さらには界面又はその近傍で剥がれたりするおそれがある。
 これに対し、図1(c)に示すように、第1の実施形態に係る半導体装置1は、拡張型半導体チップ3において、金属突起4を介して第1半導体チップ2と接合される領域に、剛性が低く且つ線膨張係数がはんだ材等の金属突起4と比較的に近い樹脂拡張部33のみが形成されている。このため、第1半導体チップ2の素子形成面における残留応力は小さくなる。また、拡張型半導体チップ3を構成する第2半導体チップ31及び第3半導体チップ32の各素子形成面上においては、金属突起4自体が存在しないため、金属突起4による残留応力の影響を回避することができる。
 第1の実施形態のように、複数の半導体チップ(第2半導体チップ31及び第3半導体チップ32)を含む拡張型半導体チップ3の上に、第1の半導体チップ2を搭載する構成は、例えば、第1の半導体チップ2のパッドが素子形成面の特定の部分に偏って配置されている場合にも、第2半導体チップ31及び第3半導体チップ32のパッドを樹脂拡張部33の上に引き出し、第1の半導体チップ2のパッドと対応するようにパッドを配置することができる。例えば、第1の半導体チップ2が、素子形成面の中央部分にパッドが集中して形成されたメモリチップであった場合に、複数の半導体チップのパッドを樹脂拡張部33の上に集約し、メモリチップのパッドを樹脂拡張部33のパッドと対向させて搭載することができる。これにより、下側の複数チップのパッドの配置に合わせた、特殊なパッド配置を持つメモリチップを準備する必要がなくなるので、汎用メモリを用いることが可能となる。
 第1の実施形態においては、前述したように、第1半導体チップ2の第1電極21と拡張型半導体チップ3の第2電極35とが互いに接続される位置が、第1半導体チップ2のほぼ中央部に、且つ、X方向の配列数よりもY方向の配列数が多くなるように行列状に配置されている。このため、拡張型半導体チップ3を2つの半導体チップ31、32で構成すると共に、樹脂拡張部33を各半導体チップ31、32同士の間にY方向に長くなるように形成している。但し、樹脂拡張部33の平面形状は、図1(b)の形状に限られず、第1半導体チップ2の第1電極21の配置位置に応じて種々に変更することができる。
 以下、第1の実施形態の変形例について図3~図6を参照しながら説明する。
 (第1の実施形態の第1変形例)
 図3は第1の実施形態の第1変形例に係る半導体装置の平面構成を示している。図3に示すように、第1変形例に係る半導体装置1は、第1半導体チップ2の複数の第1電極21が、該第1半導体チップ2のほぼ中央部に、Y方向に長い行列状に配置され、且つX方向の間隔が比較的に大きくなるように配置されている。複数の第1電極21がこのように配置されている場合は、拡張型半導体チップ3を、第2半導体チップ31、第3半導体チップ32及び第4半導体チップ36の3つのチップで構成する。従って、例えば、第2半導体チップ31と第3半導体チップ32との間に第4半導体チップ36が挟まれるように配置する。
 さらに、第2半導体チップ31と第4半導体チップ36との間、及び第3半導体チップ32と第4半導体チップ36との間にそれぞれ樹脂拡張部33を一体に形成して、各樹脂拡張部33の上に各第1電極21が対向するように、拡張型半導体チップ3の第2電極(図示せず)をそれぞれ形成する。
 (第1の実施形態の第2変形例)
 図4は第1の実施形態の第2変形例に係る半導体装置の平面構成を示している。図4に示すように、第2変形例に係る半導体装置1は、第1半導体チップ2の複数の第1電極21が、該第1半導体チップ2のほぼ中央部に集中して平面十字状に配置されている。複数の第1電極21がこのように配置されている場合は、拡張型半導体チップ3を、第2半導体チップ31、第3半導体チップ32、第4半導体チップ36及び第5半導体チップ37の4つのチップで構成する。従って、例えば、各半導体チップ31、32、36及び37を2行2列に配置し、その対向する側面同士の間に樹脂拡張部33を配置する。
 一例として、第2半導体チップ31と第3半導体チップ32との間、第3半導体チップ32と第5半導体チップ37との間、第5半導体チップ37と第4半導体チップ36との間、及び第4半導体チップ36と第2半導体チップ31との間にそれぞれ樹脂拡張部33を一体に形成して、樹脂拡張部33の上に各第1電極21が対向するように、拡張型半導体チップ3の第2電極(図示せず)をそれぞれ形成する。
 (第1の実施形態の第3変形例)
 図5(a)及び図5(b)は第1の実施形態の第3変形例に係る半導体装置の平面構成及び断面構成を示している。図5(a)に示すように、第3変形例に係る半導体装置1は、第1半導体チップ2の複数の第1電極21が、該第1半導体チップ2の対向する2つの側部の近傍に一列ずつ配置されている。複数の第1電極21がこのように配置されている場合は、拡張型半導体チップ3を第2半導体チップ31でのみ形成する。さらに、第2半導体チップ31の4つの側面のすべてに、すなわち第2半導体チップ31の周囲に樹脂拡張部33を設け、第2半導体チップ31と一体に形成する。さらに、樹脂拡張部33の上に各第1電極21が対向するように、拡張型半導体チップ3の第2電極35をそれぞれ形成する。
 (第1の実施形態の第4変形例)
 図6(a)及び図6(b)は第1の実施形態の第4変形例に係る半導体装置の平面構成及び断面構成を示している。図6(a)及び図6(b)に示すように、第4変形例に係る半導体装置1は、一例として、図4に示した第2変形例に係る半導体装置1と同様に、拡張型半導体チップ3を4つの半導体チップ31、32、36及び37から構成している。
 第4変形例の第2変形例との相違点は、拡張型半導体チップ3を構成する樹脂拡張部33に、第1半導体チップ2と対向し且つ金属突起4が形成されない領域に樹脂拡張部33を貫通する貫通孔33aを設けている点である。
 具体的には、図6(a)に示すように、平面十字状に形成された樹脂拡張部33のうち、第1半導体チップ2の複数の第1電極21の外側で且つ第1半導体チップ2の外形線(全側面)の内側の領域において、樹脂拡張部33及び再配線層34を表裏方向に貫通する複数の貫通孔33aを設けている。
 第1半導体チップ2と拡張型半導体チップ3とが金属突起4によって接続された後、さらに、封止用樹脂材であるアンダーフィル材6を第1半導体チップ2と拡張型半導体チップ3との間に注入する。このとき、金属突起4の高さが小さい場合には、第1半導体チップ2の側面からアンダーフィル材6を注入するという従来の一般的な方法では、アンダーフィル材6の充填性が不十分となる。このため、金属突起4の周辺にボイドが発生するおそれがある。
 しかしながら、第4変形例においては、金属突起4による接続を行った後に、拡張型半導体チップ3の裏面から、あらかじめ設けた複数の貫通孔33aを通して金属突起4により近い位置にアンダーフィル材6を直接に注入する。これにより、各金属突起4の周辺領域に対して、アンダーフィル材6の充填性を向上することができる。
 なお、樹脂拡張部33及び再配線層34に設ける貫通孔33aの個数は、各半導体チップ2、3の大きさ及び個数によって適宜調整すればよい。また、貫通孔33aを設ける第4変形例は、第1の実施形態、その第1変形例及び第3変形例に係る半導体装置1においても、適用が可能である。
 (第2の実施形態)
 以下、本発明の第2の実施形態について図7(a)~図7(c)を参照しながら説明する。
 図7(a)~図7(c)に示すように、第2の実施形態に係る半導体装置7は、例えば、シリコン(Si)を基材とし、それぞれトランジスタ及び多層配線層を有する第1半導体チップ81及び第2半導体チップ82を含む拡張型半導体チップ8と、上面に拡張型半導体チップ8を保持する、エポキシ樹脂材等を基材とした樹脂基板(配線基板)9とから構成されている。各半導体チップ81及び82における多層配線層には、絶縁層として、例えばLow-k材料が用いられている。
 拡張型半導体チップ8における第1半導体チップ81及び第2半導体チップ82の互いに隣接する側面同士の間には、エポキシ樹脂材等からなる樹脂拡張部83が充填されている。この樹脂拡張部83により、第1半導体チップ81及び第2半導体チップ82は一体に形成されている。
 第1半導体チップ81における樹脂基板9と対向面であり且つ素子形成面には、銅(Cu)、アルミニウム(Al)又はニッケル(Ni)等の金属からなる複数の第1チップ電極811が形成されている。同様に、第2半導体チップ82の素子形成面には、Cu、Al又はNi等の金属からなる複数の第2チップ電極821が形成されている。一体に成形された第1半導体チップ81、第2半導体チップ82及び樹脂拡張部83の上には、ポリイミド等の絶縁体からなる再配線層84が形成されている。再配線層84の内部には、Cu又はAl等からなる複数の配線841が形成されている。また、再配線層84の上には、Cu、Al又はNi等の金属からなり、外部接続用の複数の第1電極(パッド)85が形成されている。各配線841の一端は、第1チップ電極811及び第2チップ電極821のいずれかと電気的に接続され、また、その他端は、再配線層84の上の第1電極85のいずれかと電気的に接続されている。
 また、樹脂基板9の上には、拡張型半導体チップ8の第1電極85と対向する位置に、複数の第2電極(パッド)91が形成されている。互いに対向する第1電極85と第2電極91とは、それぞれの間にはんだ材又は金等からなる金属突起(バンプ)4を介在させて電気的に接続されている。 
 ここで、第2の実施形態の特徴として、拡張型半導体チップ8の素子形成面側に形成された複数の第1電極85は、そのすべてが樹脂拡張部83の直上に形成されている。なお、再配線層84の上で、樹脂基板9の第2電極91と対向しない領域には、例えば検査用の電極(図示せず)等が、半導体チップ31、32の素子形成面の上側の領域に形成されていても構わない。
 図7(b)に示すように、第2の実施形態においては、複数の第2電極91は、樹脂基板9のほぼ中央部に、X方向の配列数よりもY方向の配列数が大きい行列状に配置されている。従って、樹脂基板9の各第2電極91の配置に対応して、拡張型半導体チップ8の各第1電極85がそれぞれ配置できるように、拡張型半導体チップ8の樹脂拡張部83は、第1半導体チップ81と第2半導体チップ82との間に、Y方向の長さがX方向の長さよりも長くなるように形成されている。
 図7(a)及び図7(b)においては、第2電極91の配列を模式的に2行10列で示したが、実際の半導体装置においては、より多くの配置が考えられる。具体的には、X方向に約10行程度で、且つY方向に約100列程度である。また、第1電極21同士の間隔は40μm~50μm程度とする配列が想定される。
 但し、樹脂拡張部83の平面形状は、図7(b)の形状に限られず、樹脂基板9の第2電極91の配置位置に応じて種々に変更することができる。
 第2の実施形態に係る半導体装置7によると、拡張型半導体チップ8のパッケージング時に発生する熱応力による各半導体チップ81、82のトランジスタの電気的特性への影響及びLow-k材料からなる絶縁層に生じるクラック又は剥離等の物理的損傷を回避することができる。
 すなわち、第1の実施形態と同様に、拡張型半導体チップ8を構成する第1半導体チップ81及び第2半導体チップ82の各素子形成面上においては、バンプと呼ばれる金属突起4自体が存在しないため、樹脂基板9の収縮、金属突起4の凝固及び冷却収縮等の影響は、素子形成面には伝わらない。従って、これら樹脂基板9及び金属突起4の残留応力による影響を回避することができる。
 本発明に係る拡張型半導体チップ及び半導体装置は、半導体チップのパッケージング時に発生する熱応力による能動素子等の電気的特性への影響及び構成材料の物理的損傷を防止でき、特にフェイスダウン実装される拡張型半導体チップを有する半導体装置等に有用である。
1   半導体装置
2   第1半導体チップ
21  第1電極
3   拡張型半導体チップ
31  第2半導体チップ
32  第3半導体チップ
311 第1チップ電極
321 第2チップ電極
33  樹脂拡張部
33a 貫通孔
34  再配線層
341 配線
35  第2電極
36  第3半導体チップ
37  第4半導体チップ
4   金属突起
5   半導体装置
6   アンダーフィル材
7   半導体装置
8   拡張型半導体チップ
81  第1半導体チップ
82  第2半導体チップ
811 第1チップ電極
821 第2チップ電極
83  樹脂拡張部
84  再配線層
841 配線 
85  第1電極
9   樹脂基板
91  第2電極

Claims (8)

  1.  表面に第1の電極が形成された第1の半導体チップと、
     第2の半導体チップ及び該第2の半導体チップの少なくとも1つの側面から外方に形成された拡張部を有し、表面に第2の電極が形成された拡張型半導体チップとを備え、
     前記第1の半導体チップと前記拡張型半導体チップとは、前記第1の電極及び第2の電極の形成面同士を対向させて、前記第1の電極と前記第2の電極とを互いに接続し、
     前記拡張型半導体チップにおける前記第2の電極のうち、前記第1の電極と接続された第2の電極は、前記拡張部の上にのみ形成されている半導体装置。
  2.  請求項1において、
     前記第2の半導体チップは複数の半導体チップであり、
     前記拡張型半導体チップの前記拡張部は、前記第2の半導体チップにおける互いに隣接する側面同士の間に形成されている半導体装置。
  3.  請求項1において、
     前記拡張型半導体チップの前記拡張部は、前記第2の半導体チップの周囲に形成されている半導体装置。
  4.  請求項1~3のいずれか1項において、
     前記拡張型半導体チップには、前記拡張部の表面に形成された前記第2の電極と前記第2の半導体チップの素子形成面の上に形成された第3の電極とを接続する配線が形成されている半導体装置。
  5.  請求項1~4のいずれか1項において、
     前記拡張部には、前記第1の半導体チップと対向する領域に貫通孔が形成されており、
     前記第1の半導体チップと前記拡張型半導体チップとの間には、前記貫通孔を含め、封止用樹脂材が充填されている半導体装置。
  6.  表面に第1の電極が形成された配線基板と、
     半導体チップ及び該半導体チップの少なくとも1つの側面から外方に形成された拡張部を有し、表面に第2の電極が形成された拡張型半導体チップとを備え、
     前記配線基板と前記拡張型半導体チップとは、前記第1の電極及び第2の電極の形成面同士を対向させて、前記第1の電極と前記第2の電極とを互いに接続し、
     前記拡張型半導体チップにおける前記第2の電極のうち、前記第1の電極と接続された第2の電極は、前記拡張部の上にのみ形成されている半導体装置。
  7.  請求項6において、
     前記半導体チップは複数の半導体チップであり、
     前記拡張型半導体チップの前記拡張部は、前記半導体チップにおける互いに隣接する側面同士の間に形成されている半導体装置。
  8.  複数の半導体チップと、
     前記半導体チップにおける互いに隣接する側面同士の間に形成された拡張部と、
     前記拡張部の上に形成され、外部と電気的な接続をとる電極とを備えている拡張型半導体チップ。
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