Прекрасная статья о том как упаковывать dll в один exe файл.

Single Assembly Deployment of Managed and Unmanaged Code

В кратце:

Добавляем нужную dll сборку как emebeded resource. Затем в статическом конструкторе класса, где она нужна (у меня это статический класс оборачивающий функции этой dll) прописываем вызов следующего метода:

namespace MyLib
{
  public class MyClass
  {
      static MyClass()
      {
          ResourceExtractor.ExtractResourceToFile("MyLib.ManagedService.dll", "managedservice.dll");
          ResourceExtractor.ExtractResourceToFile("MyLib.UnmanagedService.dll", "unmanagedservice.dll");
      }

      ...

А это собственно реализация экстрактора:

public static class ResourceExtractor
{
    public static void ExtractResourceToFile(string resourceName, string filename)
    {
        if (!System.IO.File.Exists(filename))
            using (System.IO.Stream s = System.Reflection.Assembly.GetExecutingAssembly().GetManifestResourceStream(resourceName))
                using (System.IO.FileStream fs = new System.IO.FileStream(filename, System.IO.FileMode.Create))
                {
                    byte[] b = new byte[s.Length];
                    s.Read(b, 0, b.Length);
                    fs.Write(b, 0, b.Length);
                }
    }
}