3D integration of superconducting quantum systems – part 1: 3-tier design and connectivity

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Abstract

We describe a 3D-integrated 3-tier stack architecture for superconducting quantum circuits to enable enhanced connectivity while preserving qubit coherence. The top tier is fabricated using dielectric-free (single-layer) processing that supports high qubit coherence; the bottom tier has multiple superconducting metal layers coupled via interconnects through oxide layers for advanced DC and RF signal routing;; and an intermediate interposer tier is bump-bonded to the other two to provide spatial separation between them while achieving electrical connectivity through the full stack using superconducting through-silicon vias (TSVs) and indium bumps. Robust, high-yield connectivity between the three tiers is confirmed using metal chains with thousands of links that traverse the three tiers.

*This research was funded in part by the Office of the Director of National Intelligence (ODNI), Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) and the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) under Air Force Contract No. FA8702-15-D-0001. The views and conclusions contained herein are those of the authors and should not be interpreted as necessarily representing the official policies or endorsements, either expressed or implied, of the ODNI, IARPA, DARPA, or the U.S. Government.

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Presenters

  • Jonilyn Yoder

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory
    • Massachusetts Institute of Technology MIT

Authors

  • Jonilyn Yoder

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory
    • Massachusetts Institute of Technology MIT

  • Cyrus Hirjibehedin

    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Donna-Ruth Yost

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Justin L Mallek

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Danna Rosenberg

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Mollie Schwartz

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Rabindra Das

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Vladimir Bolkhovsky

    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Alexandra L Day

    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Evan Golden

    • MIT Lincoln Lab
    • Lincoln Laboratory, MIT

  • Thomas Hazard

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Department of Electrical Engineering, Princeton University
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • David K Kim

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory
    • Massachusetts Institute of Technology MIT

  • Jeffrey M Knecht

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Alexander Melville

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Bethany Niedzielski

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory
    • Massachusetts Institute of Technology MIT

  • Meghan Purcell-Schuldt

    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Ravi Rastogi

    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Kyle Serniak

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT-Lincoln Lab
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Steven Weber

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Wayne Woods

    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Scott Zarr

    • MIT Lincoln Laboratory
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • Andrew James Kerman

    • MIT Lincoln Laboratory
    • MIT Lincoln Lab
    • Lincoln Laboratory, MIT
    • MIT - Lincoln Laboratory

  • William Oliver

    • MIT Lincoln Laboratory
    • Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology
    • Research Laboratory of Electronics, MIT Lincoln Laboratory, Department of Electrical Engineering and Computer Science
    • MIT Research Laboratory of Electronics, MIT Lincoln Laboratory, MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science
    • Massachusetts Institute of Technology MIT
    • Massachusetts Institute of Technology
    • Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology
    • Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology, MIT Lincoln Laboratory
    • MIT
    • MIT, MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Lab
    • MIT Lincoln Lab, Massachusetts Institute of Technology
    • Research Laboratory of Electronics, Department of Electrical Engineering and Computer Science, and Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology. MIT Lincoln L
    • Department of Physics, Department of Electrical Engineering & Computer Science, Research Laboratory of Electronics, MIT Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technol
    • Lincoln Laboratory, Research Laboratory of Electronics, and Department of Electrical Engineering & Computer Science, MIT